Mn-Dopant Differentiating the Ru and Ir Oxidation States in Catalytic Oxides Toward Durable Oxygen Evolution Reaction in Acidic Electrolyte

- 망간 전이금속이 도핑된 루테늄-이리듐 산화물 헤테로 구조 기반의 고효율 수전해용 산화극 촉매 개발 

(Small Methods, 2021, 2101236, DOI: 10.1002/smtd.202101236, IF: 14.188)


Designing an efficient and durable electrocatalyst for the sluggish oxygen evolution reaction (OER) at the anode remains the foremost challenge in developing proton exchange membrane (PEM) electrolyzers. Here, a highly active and durable cactus-like nanoparticle with an exposed heterointerface between the IrO2 and the low oxidation state Ru by introducing a trace amount of Mn dopant is reported. The heterostructure fabrication relies on initial mixing of the Ru and Ir phases before electrochemical oxidation to produce a conjoined Ru/IrO2 heterointerface. Benefitting from electron transfer at the heterointerface, the low oxidation state Ru species shows excellent initial activity, which is maintained even after 180 h of continuous OER test. In a half-cell test, the Mn-doped RuIr nanocactus (Mn-RuIr NCT) achieves a mass activity of 1.85 A mg(Ir+Ru)(-1) at 1.48 V-RHE, which is 139-fold higher than that of commercial IrO2. Moreover, the superior electrocatalytic performance of Mn-RuIr NCT in the PEM electrolysis system ensures its viability in practical uses. The results of the excellent catalytic performance for acidic OER indicate that the heterostructuring robust rutile IrO2 and the highly active Ru species with a low oxidation state on the catalyst surface drive a synergistic effect.

본 연구에서는 망간 도펀트를 이용하여 루테늄과 이리듐이 초기에 혼입되는 양상을 조절하여 원소 분포 경사가 있는 코어@쉘 헤테로 구조의 나노촉매를 개발하였다. 뿐만 아니라, 망간 도펀트가 루테늄, 이리듐 사이의 전자 전달을 더 원활하게 해줌으로써 산성 전해질에서의 산소발생반응(OER) 도중 루테늄의 과산화를 방지하여 촉매의 안정성을 크게 향상시켰다. 개발된 촉매는 OER 반전지 시스템에서 상용 이리듐 및 루테늄 촉매 대비 월등히 높은 촉매 활성을 보였으며 180 시간의 안정성 테스트에서도 초기 성능을 잘 유지하여 안정성을 입증하였다. 또한, 고분자전해질 수전해 시스템에서 1.6 V의 높은 전압에서 상용 이리듐 산화물 촉매의 질량 대비 1.5배 이상 증가한 수전해 성능을 보이며 단일전지 시스템에서도 우수한 효율을 보였다.

DOI : 10.1002/smtd.202101236