Unifying the Hydrogen Evolution and Oxidation Reactions Kinetics in Base by Identifying the Catalytic Roles of Hydroxyl-Water-Cation Adducts

化学 催化作用 动力学 加合物 基础(拓扑) 有机化学 数学 量子力学 物理 数学分析
作者
Ershuai Liu,Jingkun Li,Li Jiao,Huong Thi Thanh Doan,Zeyan Liu,Zipeng Zhao,Yu Huang,K. M. Abraham,Sanjeev Mukerjee,Qingying Jia
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (7): 3232-3239 被引量:368
标识
DOI:10.1021/jacs.8b13228
摘要

Despite the fundamental and practical significance of the hydrogen evolution and oxidation reactions (HER/HOR), their kinetics in base remain unclear. Herein, we show that the alkaline HER/HOR kinetics can be unified by the catalytic roles of the adsorbed hydroxyl (OHad)-water-alkali metal cation (AM+) adducts, on the basis of the observations that enriching the OHad abundance via surface Ni benefits the HER/HOR; increasing the AM+ concentration only promotes the HER, while varying the identity of AM+ affects both HER/HOR. The presence of OHad-(H2O) x-AM+ in the double-layer region facilitates the OHad removal into the bulk, forming OH--(H2O) x-AM+ as per the hard-soft acid-base theory, thereby selectively promoting the HER. It can be detrimental to the HOR as per the bifunctional mechanism, as the AM+ destabilizes the OHad, which is further supported by the CO oxidation results. This new notion may be important for alkaline electrochemistry.
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