How Electrolyte pH Affects the Oxygen Reduction Reaction

化学 催化作用 吸附 电解质 电子转移 氧气 选择性 反应速率 氧还原反应 无机化学 电场 反应中间体 反应机理 动力学 动能 碱金属 基本反应 反应速率常数 化学反应 氧化还原 结合能 支撑电解质 离子 强电解质
作者
Jay T. Bender,Rohan Yuri Sanspeur,Nicolas Bueno Ponce,Angel Valles,Alyssa Uvodich,Delia J. Milliron,John R. Kitchin,Joaquin Resasco
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (41): 37819-37832 被引量:9
标识
DOI:10.1021/jacs.5c14208
摘要

Electrolyte pH is known to affect catalytic activity and selectivity for the oxygen reduction reaction (ORR). But a clear understanding of why ORR rates respond more strongly to pH over certain catalysts than others has not been developed. Here, we propose that pH effects on the ORR result from electric field induced changes in the binding energies of intermediates involved in kinetically relevant elementary steps. For strongly binding metals (Pt, Ir, Ru, and Pd), whose rates are limited by the proton-coupled electron transfer (PCET) step to form *OOH or remove adsorbed OH (*OH), ORR rates are weakly affected by electrolyte pH. This behavior is observed because the binding energies of the reaction intermediates in these steps are minimally affected by electric field strength. The weak pH dependence is most pronounced for Pt, which shows essentially identical rates in acidic and alkaline electrolytes. For weakly binding metals (Au, Ag), whose rates are limited by non-PCET O2 adsorption, ORR rates increase significantly when moving from acidic to alkaline electrolytes. This strong pH dependence results from the stabilization of adsorbed O2 by the increasingly negative electric field present at the catalyst surface under alkaline conditions. We argue that modifying electrolyte pH does not change the rate-determining elementary step for the ORR, but does decrease the apparent activation barrier for O2 adsorption over weakly binding catalysts. These arguments are substantiated by a combination of experimental kinetic studies and atomistic simulations.
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