Hydrodynamics-Controlled Single-Particle Electrocatalysis

化学 电催化剂 粒子(生态学) 纳米技术 物理化学 海洋学 电极 电化学 材料科学 地质学
作者
Si‐Min Lu,Mengjie Chen,Huilin Wen,Cheng‐Bing Zhong,Haowei Wang,Ziyi Yu,Yi‐Tao Long
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (22): 15053-15060 被引量:30
标识
DOI:10.1021/jacs.3c14502
摘要

Electrocatalysis is considered promising in renewable energy conversion and storage, yet numerous efforts rely on catalyst design to advance catalytic activity. Herein, a hydrodynamic single-particle electrocatalysis methodology is developed by integrating collision electrochemistry and microfluidics to improve the activity of an electrocatalysis system. As a proof-of-concept, hydrogen evolution reaction (HER) is electrocatalyzed by individual palladium nanoparticles (Pd NPs), with the development of microchannel-based ultramicroelectrodes. The controlled laminar flow enables the precise delivery of Pd NPs to the electrode-electrolyte interface one by one. Compared to the diffusion condition, hydrodynamic collision improves the number of active sites on a given electrode by 2 orders of magnitude. Furthermore, forced convection enables the enhancement of proton mass transport, thereby increasing the electrocatalytic activity of each single Pd NP. It turns out that the improvement in mass transport increases the reaction rate of HER at individual Pd NPs, thus a phase transition without requiring a high overpotential. This study provides new avenues for enhancing electrocatalytic activity by altering operating conditions, beyond material design limitations.
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