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Raising the temperature on electrodes for anion exchange membrane electrolysis-activity and stability aspects

Résumé

The membrane electrode assembly is the powerhouse of the anion exchange membrane water electrolyser (AEMWE), thereby placing a great importance on the associated preparation conditions. This paper investigated how annealing temperature and time impacted activity and stability for both anode and cathode electrodes with catalyst-PTFE thin-films. The effect of annealing was thoroughly characterised through SEM/EDS, TEM, XRD, Raman spectroscopy and XPS. Moderate heat-treatment (T & LE;500 degrees C) had a positive effect by improving morphology and enhancing reaction kinetics as seen through three-electrode measurements. Annealing temperature affected hydrogen adsorption, resulting in a change in the hydrogen evolution pathway as shown by hydrogen adsorption peaks and Tafel curves. These beneficial effects were further augmented by an enlarged surface area as shown in both three- and two-electrode measurements. Two electrode measurements revealed a staircase activity-trend, where the annealing temperature yielding the greatest activity declined with increasing annealing time. This resulted in efficient cathodes annealed at 2h-500 degrees C, 3h-400 degrees C and 4h-300 degrees C. The aforementioned cell configurations reached approximately 500 mA cm- 2 at 1.73 V, 1.82 V and 2.04 V respectively. Stable electrodes were produced for temperatures & LE;500 degrees C, after which their mechanical integrity began to fail due to pyrolysed PTFE. Stability was meticulously characterised and a degradation pathway for carbon catalysts was proposed, where expansion of the carbon black onion layers ultimately lead to catalyst particle detachment.

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Électrode
Une électrode est un conducteur électronique, ou ionique ( verre) captant ou libérant des électrons. Les électrodes interviennent dans les systèmes générateurs de courant (comme les piles ou les accumulateurs électriques) et dans les électrolyses, dont le système est récepteur de courant. On parle aussi d'électrodes pour désigner des composants de certains appareils électriques comme les lampes radio, tube à rayons X, diodes à semi-conducteur. C'est également le cas dans le soudage à l'arc électrique.
Potentiel d'électrode
Le potentiel d'électrode , en électrochimie, est la force électromotrice d'une cellule galvanique construite à partir d'une électrode de référence standard et d'une autre électrode à définir. Par convention, l'électrode de référence est l'électrode standard à hydrogène (SHE) définie comme ayant un potentiel de zéro volt. Le potentiel d'électrode peut également être défini comme la différence de potentiel entre les électrodes métalliques chargées et la solution saline.
Électrolyse de l'eau
L'électrolyse de l'eau est un procédé électrolytique qui décompose l'eau (HO) en dioxygène et dihydrogène gazeux grâce à un courant électrique. La cellule électrolytique est constituée de deux électrodes immergées dans un électrolyte (ici l'eau elle-même) et connectées aux pôles opposés de la source de courant continu. vignette|Schéma du voltamètre d'Hoffmann utilisé pour l'électrolyse de l'eau. vignette|Schéma fonctionnel de l’électrolyse.
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