Investigation of Ir(Ox)-Ru(Oy) thin-film catalysts for oxygen evolution reaction in proton exchange membrane water electrolyzers

Abstract

The main focus of this work is the investigation of the anode catalysts for the Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEM-WEs). PEM-WEs play a pivotal role in the hydrogen economy concept as they allow water decomposition into oxygen and hydrogen. However, their operation requires expensive noble metal catalysts, i.e., iridium or platinum. This issue has yet to be solved to mass-produce PEM-WEs. Consequently, our main objective is to reduce the amount of iridium on the anode of PEM-WEs. We addressed this objective by two distinct approaches: morphological and chemical. With the morphological approach, plasma etching of the membrane and the magnetron sputtering of CeO2 served to increase the membrane's active surface. Hence we improved the catalysts utilization. With the chemical approach, we focused on the catalyst itself. Thus, we replaced the pure iridium catalyst with a bimetallic iridium- ruthenium one. Therefore, the activity of the catalyst was enhanced while its price got reduced. To explain and describe the catalyst's behavior, we used various electrochemical methods and surface analysis techniques. Finally, we combined both approaches to obtain one active, stable, and low-iridium-loading anode catalyst for PEM-WE.

Katalyzátory pro anodu elektrolyzérů vody s protonově vodivou membránou (PEM-WE) jsou hlavním objektem zájmu prezentované práce. PEM-WE jsou klíčové pro koncept vodíkové ekonomiky, neboť umožňují rozklad vody na kyslík a vodík. Jejich zásadní nevýhoda spočívá v nutnosti používat vzácné kovy jako katalyzátory, převážně se jedná o platinu a iridium. Primárním cílem této práce je snížení množství iridia na anodě PEM-WE. K tomu lze využít dva principiálně odlišné přístupy: morfologický a chemický. Při morfologickém přístupu jsme aplikovali plazmatické leptání membrány a současné magnetronové naprašování CeO2 ke zvýšení velikosti aktivního povrchu. Tímto jsme zlepšili využití iridiového katalyzátoru. V případě chemického přístupu jsme se naopak zaměřili na samotný katalyzátor, kdy jsme nahradili čisté iridium směsí iridia a ruthenia. Důsledkem byl nárůst aktivity katalyzátoru a současný pokles jeho ceny. Vlastnosti katalyzátorů jsme následně důsledně zkoumali řadou elektrochemických a povrchových analytických metod. Na závěr jsme oba přístupy zkombinovali za účelem vytvoření anodového katalyzátoru pro PEM-WE s vysokou aktivitou, stabilitou a malým množstvím použitého iridia.