Development of a novel oxygen catalyst based on stainless steel felts for anion exchange membrane electrolyser application

Abstract

Anionenaustauschmembran-Wasserelektrolyseure (AEMEL) kombinieren die geringen Materialkosten der alkalischen Wasserelektrolyse mit der hohen Betriebsleistung von Protonenaustauschmembran-Systemen. Ihre breite Anwendung wird jedoch durch die träge Sauerstoffentwicklungsreaktion eingeschränkt, welche hochaktive, langlebige und wirtschaftlich tragfähige Anodenkatalysatoren erfordert. Diese Arbeit untersucht die direkte Oberflächenaktivierung von kommerziellen 316L-Edelstahlfilzen (SSF), wodurch die poröse Transportschicht gleichzeitig als integrierter Katalysatorträger und aktive Elektrode fungieren kann. Die katalytischen Schichten wurden synthetisiert, indem das SSF bei Raumtemperatur für systematisch variierende Zeiträume von bis zu 30 Stunden in eine alkalische Oxidationslösung getaucht wurde. Die morphologischen und strukturellen Eigenschaften wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Röntgenbeugung (XRD), Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Ex-situ-Raman-Spektroskopie untersucht. Zusätzlich wurde die elektrochemische Leistungsfähigkeit mittels zyklischer Voltammetrie (CV), elektrochemischer Impedanzspektroskopie (EIS) und In-situ-Raman-Spektroskopie charakterisiert, gefolgt von Tests in einer operativen AEMEL-Zelle. Durch die chemische Immersionsbehandlung bildet sich eine stark haftende, lamellare Korrosionsschicht, die hauptsächlich aus γ-FeOOH mit eingebetteten Nickelspezies besteht. In-situ-Raman-Spektroskopie bestätigte, dass sich diese sekundäre Nickelphase unter Polarisation von Ni(OH)2 in aktives NiOOH umwandelt und so die OER-Kinetik antreibt. Die 30-stündige Immersionsbehandlung vergrößerte die aktive Oberfläche, wodurch eine Doppelschichtkapazität von 91.26 mF/cm2 erreicht und das Halbzellen-Überpotential bei 10 mA/cm2 auf 263 mV gesenkt wurde. Integrierte Vollzellentests zeigten einen gute Effizienz, wobei bei einer hohen Stromdichte von 1 A/cm2 eine iR-korrigierte Zellspannung von nur 1.843 V erforderlich war. Darüber hinaus bestätigte ein ununterbrochener 168-stündiger chronopotentiometrischer Belastungstest die elektrochemische Stabilität der aktiven Schicht mit einer Degradationsrate von 0.12 mV/h während der letzten 118 h des Betriebs. Letztlich bietet diese einfache chemische Aktivierungsmethode eine skalierbare und kostengünstige Strategie zur Herstellung von Elektroden, aus häufig vorkommenden Elementen mit hoher OER-Kinetik für fortschrittliche Wasserelektrolyseanwendungen.

Anion exchange membrane water electrolysers (AEMEL) combine the low material costs of alkaline water electrolysis (AWE) with the high operational performance of proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE). However, their widespread implementation is limited by the sluggish oxygen evolution reaction (OER), which requires highly active, durable, and economically viable anode catalysts. This work investigates the direct surface activation of commercial 316L stainless steel felts (SSF), allowing the porous transport layer to simultaneously function as an integrated catalyst support and active electrode. The catalytic layers were synthesised by immersing the SSF into an alkaline oxidant solution at room temperature for systematically varied durations up to 30 hours. The morphological and structural properties were evaluated using Scanning Electron Microscopy (SEM), X-ray Diffraction (XRD), X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), and ex-situ Raman spectroscopy. Additionally, the electrochemical performance was characterised using cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), and in-situ Raman spectroscopy, followed by testing in an operational AEMEL. The chemical immersion treatment forms a strongly adhering, lamellar corrosion layer primarily composed of γ-FeOOH with incorporated nickel species. In-situ Raman spectroscopy confirmed that this secondary nickel phase transforms from Ni(OH)2 to active NiOOH under polarisation, driving the OER kinetics. The 30-hour immersion treatment expanded the active surface area, achieving a double-layer capacitance of 91.26 mF/cm2 and lowering the half-cell overpotential to 263 mV at 10 mA/cm2. Integrated full-cell device testing demonstrated excellent efficiency, requiring an iR-corrected cell voltage of just 1.843 V at a current density of 1 A/cm2. Additionally, an uninterrupted 168-hour chronopotentiometric stress test confirmed electrochemical stability of the active layer, with a degradation rate of 0.12 mV/h during the last 118 h of operation. Ultimately, this simple chemical activation method provides a scalable, cost-effective strategy to fabricate earth-abundant electrodes with high OER kinetics for advanced water electrolysis applications.