[논문 리뷰] A durable and efficient electrocatalyst for saline water splitting with current density exceeding 2000 mA cm -2

Fengning Yang, Yuting Luo외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Electrocatalysts for Energy Conversion참고 문헌 1인용 수 28

한 줄 요약

본 논문은 부식 저항 매트릭스에 고정된 Pt/Ni-Mo 전기 촉매가 saline-alkaline 전해질에서 113 mV의 과전압으로 2000 mA cm-2를 달성하고, 가혹한 조건에서도 내구성과 확장 가능한 생산 가능성을 시연한다.

ABSTRACT

Water electrolysis is promising for industrial hydrogen production to achieve a sustainable and green hydrogen economy, but the high cost of the technology limits its market share. Developing efficient yet economic electrocatalysts is crucial to decrease the cost of electricity and electrolytic cell. Meanwhile, electrolysis in seawater electrolyte can further reduce feedstock cost. Here we synthesize a type of electrocatalyst where trace precious metals are strongly anchored on corrosion-resistive matrix. As an example, the produced Pt/Ni-Mo electrocatalyst only needs an overpotential of 113 mV to reach an ultrahigh current density of 2000 mA cm-2 in saline-alkaline electrolyte, standing as the best performance so far. It shows high activity and long durability in various electrolytes and under harsh conditions, including strong alkaline and simulated seawater electrolytes, and under elevated temperatures up to 80 degree Celsius). This electrocatalyst is produced on a large scale at low cost and shows good performance in a commercial membrane electrode assembly stack, demonstrating its feasibility for practical water electrolysis

연구 동기 및 목표

• 수소 생산 비용을 낮추기 위해 해수 또는 염-알칼리성 전해에서 비용 효율적이고 내구성이 높은 전기촉매를 개발한다.
• 저 overpotential으로 초고전류 밀도 성능(>2000 mA cm-2)을 입증한다.
• 다양한 전해액, 고온 및 모의 해수 조건에서 내구성을 보인다.
• 대규모 생산과 멤브레인 전극 어셈블리(MEA) 스택에서의 성능을 통해 확장 가능성을 검증한다.

제안 방법

• Pt/Ni-Mo 전기촉매를 만들기 위해 부식 저항 매트릭스(Ni-Mo)에 고귀 금속(Pt)을 소량으로 고정 합성한다.
• saline-alkaline 전해질에서 전기화학적 성능을 측정하여 2000 mA cm-2에서의 과전압을 결정한다.
• 강염기성 및 모의 해수 전해질을 포함한 가혹한 조건과 최대 80 °C까지의 온도에서 내구성을 특성화한다.
• 실용성을 입증하기 위해 대규모 생산 타당성을 평가하고 상용 MEA 스택에서 테스트한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부식 저항 매트릭스에 고정된 소량 귀금속 촉매가 saline-alkaline 및 모의 해수 전해질에서 저 overpotential으로 초고전류 밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 가혹한 염기성 환경, 고온 및 해수 유사 조건에서 Pt/Ni-Mo의 내구성과 안정성은 어떠한가?
• RQ3 이 촉매는 대규모 생산으로 확장 가능하고 상용 MEA 스택과 호환되는가?

주요 결과

• saline-alkaline 전해질에서 113 mV의 과전압으로 2000 mA cm-2를 달성한다.
• 모의 해수를 포함한 다양한 전해질과 가혹한 조건에서 높은 활성도와 장기 내구성을 입증한다. 최대 80 °C까지.
• 저비용으로 대규모 생산이 가능하며 상용 MEA 스택에서도 작동하여 실용적 타당성을 시사한다.