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Mechanism of Oxygen Reduction Reaction on Pt(111) in Alkaline Solution: Importance of Chemisorbed Water on Surface

化学 联想代换 溶剂化 反应机理 密度泛函理论 计算化学 电子转移 极化(电化学) 催化作用 物理化学 无机化学 离子 有机化学
作者
Shizhong Liu,Michael G. White,Ping Liu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:120 (28): 15288-15298 被引量:158
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.6b05126
摘要

Here, we report a detailed mechanistic study of the oxygen reduction reaction (ORR) on Pt(111) in alkaline solution, combining density functional theory and kinetic Monte Carlo simulations. A complex reaction network including four possible pathways via either 2e<sup>–</sup> or 4e<sup>–</sup> transfer is established and is able to reproduce the experimental measured polarization curve at both low- and high-potential regions. Our results show that it is essential to account for solvation by water and the dynamic coverage of *OH to describe the reaction kinetics well. In addition, a chemisorbed water (*H<sub>2</sub>O)-mediated mechanism including 4e<sup>–</sup> transfers is identified, where the reduction steps via *H<sub>2</sub>O on the surface are potential-independent and only the final removal of *OH from the surface in the form of OH<sup>–</sup>(aq) contributes to the current. For the ORR in alkaline solutions, such a mechanism is more competitive than the associative and dissociative mechanisms typically used to describe the ORR in acid solution. Finally, *OH and **O<sub>2</sub> intermediates are found to be critically important for tuning the ORR activity of Pt in alkaline solution. To enhance the activity, the binding of Pt should be tuned in such a way that *OH binding is weak enough to release more surface sites under working conditions, while **O<sub>2</sub> binding is strong enough to enable the ORR via the 4e<sup>–</sup> transfer mechanism.
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