Effect of alkaline ionomer on oxygen- reduction and evolution on electrodes

Abstract

Det er et økende global initiativ for å forbedre utnyttelsen av fornybare energikilder, hvor vannelektrolyse fremstår som en lovende løsning for effektiv utnyttelse av overskudds fornybar energi ved å produsere grønt hydrogen. Blant de ulike typene elektrolysører skiller vannelektrolysør med anion utvekslingsmembran seg ut for sitt potentiale til å tilby en kombinasjon av høy effektivitet og lav kostnad. Imidlertid står denne relativt nye teknologien ovenfor visse utfordringer, som for eksempel utilfredsstillende ytelse av den faste elektrolytten, ionomer, noe som krever tilførsel av en alkalisk elektrolytt i tillegg. Målet med dette prosjektet er derfor å undersøke om reaktanter og produkter kan diffundere gjennom ionomeren og om den effektivt leder hydroksidioner. Dette gjør det mulig for oss å undersøke om de elektrokjemiske reaksjonene skjer gjennom ionomeren, eller om ionomeren hemmer reaksjonene. For å undersøke dette utførte vi en reduksjonsreaksjon av oksygen ved platina roterende disk-elektroder belagt med ionomer. Videre ble effekten av to forskjellige ionomerinnhold testet i en anion utvekslingsmembran vannelektrolysør. Morfologien til katalysatorlagene som ble brukt i elektrolysøren ble analysert ved hjelp av elektronmikroskop og kvikksølvporosimetri.

Det ble funnet at ionomeren er i stand til å diffundere reaktanter og produkter, men ved lav hastighet. Dette indikerer at de elektrokjemiske reaksjonene skjer mer effektivt ved aktive områder utenfor ionomeren. Videre ble det observert at et lavere ionomerinnhold presterer bedre enn høyere ionomerinnhold (10 wt% versus 20 wt%) i den faktiske elektrolysecellen. Imidlertid viste det seg at et høyere ionomerinnhold hadde en mer lovende holdbarhet. Basert på disse funnene kan man anta at ionomeren leder hydroksid-ioner, men ikke effektivt nok til å betraktes som en selvstendig elektrolytt. De elektrokjemiske reaksjonene antas derfor å skje mer effektivt på aktive områder utenfor ionomeren, mens ionomeren fungerer som en bindemiddel for å forbedre holdbarheten til elektrolysøren.

There is a growing global initiative to enhance the utilization of renewable energy sources, with water electrolysis emerging as a promising solution for effectively harnessing excess renewable energy by producing green hydrogen. Among the various types of electrolyzers, anion exchange membrane water electrolyzer stands out for its potential to offer a combination of high efficiency and low cost. However, this relatively new technology faces certain challenges, such as unsatisfactory performance of the solid electrolyte, ionomer, which necessitates the use of an alkaline electrolyte feed. The aim of this thesis is therefore to investigate if reactants and products are able to diffuse through the ionomer and if it conducts hydroxide ions efficiently. This enables us to study whether the electrochemical reactions occur through the ionomer or if the ionomer inhibits the reactions. To achieve this, we conducted oxygen reduction reaction at ionomer-covered platinum rotating disk electrodes. Furthermore, the effect of two different ionomer contents was tested in a real anion exchange membrane water electrolyzer. The morphology of the catalyst layers utilized in the electrolyzer was analyzed by scanning electron microscopy and mercury porosimetry.

It was found that the ionomer is able to diffuse reactants and products through it, but at a low rate. This indicates that the electrochemical reactions occur more efficiently at active sites outside the ionomer. Furthermore, it was observed that a lower ionomer content outperformed a higher ionomer content (10 wt% versus 20 wt%) in the actual electrolyzer cell. A reason for this is due to the ionomer not being able to conduct hydroxide ions efficiently. However, the higher ionomer content showed more promising durability. From these findings, one can assume that the ionomer conducts hydroxides, but not efficient enough to be considered as a stand-alone electrolyte. The electrochemical reactions are therefore occurring at a faster rate at active sites outside the ionomer, while the ionomer works as a binder to enhance the durability of the electrolyzer.