Transformation of the OER-Active IrOxSpecies under Transient Operation Conditions in PEM Water Electrolysis
Source abstract
Abstract
Iridium oxides are common oxygen evolution catalysts, combining high activity with decent stability. However, these properties vary strongly with the IrOxform, ranging from durable crystalline IrO2to more active but less stable amorphous, hydrous oxides. Herein we demonstrate how an operation transient during proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) can induce conversion of IrO2in the anode catalyst layer into a more hydrous form. We operate a 5 cm2PEMWE cell at 80 °C and elevated H2pressure, then interrupt the power supply and observe the OCV showing a characteristic decay to eventually 0 V. We postulate that the IrO2surface reacts with H2crossing over the membrane, confirm ex situ via TGA and XRD analyses that IrOxcan be reduced to metallic Ir under H2at 80 °C, elaborate the related thermodynamics and match them with the electrochemical potential of the IrOxcatalyst during the above transient. This is supported in situ via cyclic voltammograms and polarization curves showing improved OER activity. Moreover, we demonstrate that subsequent polarization to the OER potential range transforms the reduced catalyst surface into a more hydrous IrOxand wrap up with implications for the long-term performance and durability of PEMWE devices.
Source: crossref · Quality: baseline
Research context
OpenAlex topics: Electrocatalysts for Energy Conversion · Fuel Cells and Related Materials · Advanced battery technologies research
SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.
References (100+)
Show source-provided references
1. Lewinski · ECS Trans. · 2015 · 69 · 89310.1149/06917.0893ecst ↗
2. Bernt · J. Electrochem. Soc. · 2016 · 163 · F317910.1149/2.0231611jes ↗
3. Buckley · J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 Phys. Chem. Condens. Phases · 1976 · 72 · 243110.1039/f19767202431 ↗
4. Trasatti · 1981
5. Fabbri · Catal. Sci. Technol. · 2014 · 4 · 380010.1039/C4CY00669K ↗
6. Babic · J. Electrochem. Soc. · 2017 · 164 · F38710.1149/2.1441704jes ↗
7. Buckley · J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 Phys. Chem. Condens. Phases · 1976 · 72 · 189610.1039/f19767201896 ↗
8. Cherevko · Catal. Today · 2016 · 262 · 17010.1016/j.cattod.2015.08.014 ↗
9. McCrory · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1697710.1021/ja407115p ↗
10. Diaz-Morales · ACS Catal. · 2015 · 5 · 538010.1021/acscatal.5b01638 ↗
11. Trasatti · 1980
12. Lide · 2005
13. Ryden · Phys. Lett. A · 1968 · 26 · 20910.1016/0375-9601(68)90126-6 ↗
14. Hepel · J. Electrochem. Soc. · 1985 · 132 · 238510.1149/1.2113583 ↗
15. Gottesfeld · Appl. Phys. Lett. · 1978 · 33 · 20810.1063/1.90277 ↗
16. Burke · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1984 · 163 · 11710.1016/S0022-0728(84)80045-5 ↗
17. McIntyre · J. Electrochem. Soc. · 1980 · 127 · 126410.1149/1.2129868 ↗
18. Grupioni · Electrochim. Acta · 2002 · 48 · 40710.1016/S0013-4686(02)00686-2 ↗
19. Mozota · Electrochim. Acta · 1983 · 28 · 110.1016/0013-4686(83)85079-8 ↗
20. Conway · Electrochim. Acta · 1983 · 28 · 910.1016/0013-4686(83)85080-4 ↗
21. Pourbaix · 1974
22. McIntyre · Phys. Rev. B · 1982 · 25 · 724210.1103/PhysRevB.25.7242 ↗
23. Gottesfeld · J. Electroanal. Chem. · 1978 · 86 · 8910.1016/S0022-0728(78)80358-1 ↗
24. Minguzzi · Chem. Sci. · 2014 · 5 · 359110.1039/C4SC00975D ↗
25. Achilli · J. Spectrosc. · 2014 · 2014 · 110.1155/2014/480102 ↗
26. Mo · J. Phys. Chem. B · 2002 · 106 · 368110.1021/jp014452p ↗
27. Vuković · J. Appl. Electrochem. · 1987 · 17 · 73710.1007/BF01007809 ↗
28. Vuković · J. Appl. Electrochem. · 1990 · 20 · 96910.1007/BF01019573 ↗
29. Reier · J. Electrochem. Soc. · 2014 · 161 · F87610.1149/2.0411409jes ↗
30. Cherevko · J. Electroanal. Chem. · 2016 · 774 · 10210.1016/j.jelechem.2016.05.015 ↗
31. Geiger · J. Electrochem. Soc. · 2016 · 163 · F313210.1149/2.0181611jes ↗
32. Frazer · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1979 · 102 · 12710.1016/S0022-0728(79)80036-4 ↗
33. Hillman · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2011 · 13 · 525210.1039/C0CP01472A ↗
34. Cherevko · ChemCatChem · 2014 · 6 · 221910.1002/cctc.201402194 ↗
35. Burke · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1981 · 117 · 15510.1016/S0022-0728(81)80459-7 ↗
36. Buckley · J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1 Phys. Chem. Condens. Phases · 1975 · 71 · 144710.1039/f19757101447 ↗
37. Abbott · Chem. Mater. · 2016 · 28 · 659110.1021/acs.chemmater.6b02625 ↗
38. Danilovic · J. Phys. Chem. Lett. · 2014 · 5 · 247410.1021/jz501061n ↗
39. Chang · Faraday Discuss. · 2014 · 176 · 12510.1039/C4FD00134F ↗
40. Geiger · Nat. Catal. · 2018 · 1 · 50810.1038/s41929-018-0085-6 ↗
41. Kim · Nat. Commun. · 2017 · 8 · 144910.1038/s41467-017-01734-7 ↗
42. Binninger · Sci. Rep. · 2015 · 5 · 1216710.1038/srep12167 ↗
43. Yeo · J. Electrochem. Soc. · 1981 · 128 · 190010.1149/1.2127761 ↗
44. Kötz · J. Electrochem. Soc. · 1985 · 132 · 10310.1149/1.2113735 ↗
45. Kötz · Electrochim. Acta · 1986 · 31 · 131110.1016/0013-4686(86)80153-0 ↗
46. Cherevko · Electrochem. Commun. · 2014 · 48 · 8110.1016/j.elecom.2014.08.027 ↗
47. Rasten · ECS Proceedings: Energy Electrochem. Process a Clean. Environ. · 2001 · 2001–23 · 151
48. Rasten · Electrochim. Acta · 2003 · 48 · 394510.1016/j.electacta.2003.04.001 ↗
49. Cruz · J. Nanoparticle Res. · 2011 · 13 · 163910.1007/s11051-010-9917-2 ↗
50. Li · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2013 · 15 · 285810.1039/c2cp44496h ↗
51. Audichon · Int. J. Hydrogen Energy · 2014 · 39 · 1678510.1016/j.ijhydene.2014.07.170 ↗
52. Zhao · J. Electrochem. Soc. · 2018 · 165 · F8210.1149/2.0981802jes ↗
53. Hutchings · J. Mater. Sci. · 1984 · 19 · 398710.1007/BF00980762 ↗
54. Oakton · New J. Chem. · 2016 · 40 · 183410.1039/C5NJ02400E ↗
55. Birss · Electrochem. Solid State Lett. · 1999 · 2 · 32610.1149/1.1390825 ↗
56. Karimi · J. Electrochem. Soc. · 2017 · 164 · F46410.1149/2.0111706jes ↗
57. da Silva · Appl. Catal. B Environ. · 2017 · 218 · 28710.1016/j.apcatb.2017.06.044 ↗
58. Ardizzone · J. Electroanal. Chem. · 1981 · 126 · 28710.1016/S0022-0728(81)80437-8 ↗
59. Petit · J. Electroanal. Chem. · 1998 · 444 · 24710.1016/S0022-0728(97)00570-6 ↗
60. Schiavone · Appl. Phys. Lett. · 1979 · 35 · 82310.1063/1.90950 ↗
61. Schiavone · J. Electrochem. Soc. · 1981 · 128 · 133910.1149/1.2127632 ↗
62. Böld · Electrochim. Acta · 1961 · 5 · 16910.1016/0013-4686(61)85013-5 ↗
63. Capon · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1972 · 39 · 27510.1016/S0022-0728(72)80152-9 ↗
64. Rand · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1974 · 55 · 37510.1016/S0022-0728(74)80431-6 ↗
65. Otten · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1974 · 55 · 110.1016/S0022-0728(74)80467-5 ↗
66. Lohrengel · Electrochim. Acta · 1976 · 21 · 95710.1016/0013-4686(76)85071-2 ↗
67. Burke · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1984 · 175 · 11910.1016/S0022-0728(84)80350-2 ↗
68. Pickup · J. Electroanal. Chem. · 1987 · 220 · 8310.1016/0022-0728(87)88006-3 ↗
69. Gottesfeld · J. Electrochem. Soc. · 1979 · 126 · 74210.1149/1.2129131 ↗
70. Cherevko · J. Electroanal. Chem. · 2016 · 773 · 6910.1016/j.jelechem.2016.04.033 ↗
71. Čukman · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1990 · 279 · 28310.1016/0022-0728(90)85183-6 ↗
72. Sato · J. Electrochem. Soc. · 1989 · 136 · 86310.1149/1.2096758 ↗
73. Sanjinés · J. Electrochem. Soc. · 1989 · 136 · 174010.1149/1.2097002 ↗
74. Ralph · ECS Trans. · 2006 · 1 · 6710.1149/1.2214545 ↗
75. Atanasoski · 2013 · 637
76. Knights · J. Power Sources · 2004 · 127 · 12710.1016/j.jpowsour.2003.09.033 ↗
77. Wilkinson · 2010 · 611
78. Zhang · 2015 · 23
79. Neyerlin · J. Electrochem. Soc. · 2007 · 154 · B63110.1149/1.2733987 ↗
80. Durst · J. Electrochem. Soc. · 2015 · 162 · F19010.1149/2.0981501jes ↗
81. Durst · Energy Environ. Sci. · 2014 · 7 · 225510.1039/C4EE00440J ↗
82. O’Neill · Geochim. Cosmochim. Acta · 1997 · 61 · 527910.1016/S0016-7037(97)00317-7 ↗
83. Beyer · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2013 · 15 · 1102510.1039/c3cp51056e ↗
84. Zhang · J. Electrochem. Soc. · 2013 · 160 · F61610.1149/2.081306jes ↗
85. Alia · J. Electrochem. Soc. · 2016 · 163 · F310510.1149/2.0151611jes ↗
86. Lopez · Precious Metal Oxide Catalyst For Water Electrolysis · 2009
87. Blachnik · 1998 · 310.1007/978-3-642-58842-6 ↗
88. Heiland · 1992 · 110.1007/978-3-642-58083-3 ↗
89. Broka · J. Appl. Electrochem. · 1997 · 27 · 11710.1023/A:1018469520562 ↗
90. Mittelsteadt · 2010 · 345
91. Bensmann · Int. J. Hydrogen Energy · 2014 · 39 · 4910.1016/j.ijhydene.2013.10.085 ↗
92. Bensmann · Appl. Energy · 2016 · 167 · 10710.1016/j.apenergy.2016.01.038 ↗
93. Bensmann · Electrochim. Acta · 2013 · 110 · 57010.1016/j.electacta.2013.05.102 ↗
94. Rheinländer · Meet. Abstr. · 2016 · MA2016-02 · 242710.1149/MA2016-02/38/2427 ↗
95. Schalenbach · Int. J. Hydrogen Energy · 2013 · 38 · 1492110.1016/j.ijhydene.2013.09.013 ↗
96. Durst · ECS Trans. · 2015 · 69 · 6710.1149/06917.0067ecst ↗
97. Juodkazytė · Electroanalysis · 2005 · 17 · 94710.1002/elan.200403200 ↗
98. Weiß · J. Electrochem. Soc. · 2019 · 166 · F48710.1149/2.0421908jes ↗
99. Brightman · Electrochem. Commun. · 2015 · 52 · 110.1016/j.elecom.2015.01.005 ↗
100. Otten · J. Electroanal. Chem. Interfacial Electrochem. · 1974 · 55 · 1310.1016/S0022-0728(74)80468-7 ↗