- Achieving Pt-coating-free anodes using double-layered catalyst layer structure for polymer electrolyte membrane water electrolysis

- Daehee Kim, Gi Hong Jung, Young Hwa Yun, Jeesoo Park, Sieon An, Changsoo Lee, Sechan Lee, Hyeonjung Park, Sang-Kyung Kim, Hyun-Seok Cho, Hee-Tak Kim, Namgee Jung, Gisu Doo, MinJoong Kim

- Journal of Materials Chemistry A, 2025, DOI: 10.1039/d5ta01688f (IF: 9.5)

- 2025. DOI: https://doi.org/10.1039/d5ta01688f

 본 연구에서는 고성능이면서도 백금(Pt) 코팅이 필요 없는 고분자전해질 수전해(PEMWE) 음극 구조를 개발하였습니다. 이를 위해 전자전달 특성이 우수한 결정질 루타일 이리듐 산화물(R-IrO₂)과 산소발생반응(OER)에 높은 활성을 갖는 비정질 이리듐 산화물(HA-IrO_x)을 이중으로 적층한 촉매층(double-layered catalyst layer, DL-CL) 구조를 설계하였습니다. 제안된 DL-CL 구조에서는 R-IrO₂를 티타늄 기공전달층(PTL)과의 계면에 배치하여 TiO_x 산화막에서 발생하는 전자전달 장애를 완화하고, HA-IrO_x는 멤브레인 쪽에 배치하여 높은 반응 활성을 확보하였습니다.

 이러한 구조는 기준 단일층 구조 및 Pt 코팅된 시스템과 비교하여 전기화학적 성능과 계면 안정성이 크게 향상된 것으로 나타났습니다. 특히 R-IrO₂는 0.05 mg cm⁻²라는 낮은 로딩에서도 TiO_x와의 계면에서 효과적인 전자전달을 유도하며, Pt 코팅(약 0.43 mg cm⁻²) 수준의 효과를 대체할 수 있음을 실험적으로 입증하였습니다. 또한, 1000시간의 장기 내구성 시험을 통해 DL-CL 구조는 Pt 코팅 없이도 일정한 저항과 전압을 유지하며 안정적인 성능을 보였습니다.