Alkali metal cations change the hydrogen evolution reaction mechanisms at Pt electrodes in alkaline media

碱金属 无机化学 碱土金属 化学 电极 金属 铂金 催化作用 有机化学 物理化学
作者
Yamen Taji,Alexandra Zagalskaya,Iman Evazzade,Sebastian Watzele,Kun‐Ting Song,Song Xue,Christian Schott,Batyr Garlyyev,Vitaly Alexandrov,Elena Gubanova,Aliaksandr S. Bandarenka
出处
期刊:Nano materials science [Elsevier BV]
卷期号:7 (6): 729-734 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.nanoms.2022.09.003
摘要

The effects of seemingly inert alkali metal (AM) cations on the electrocatalytic activity of electrode materials towards reactions essential for energy provision have become the emphasis of substantial research efforts in recent years. The hydrogen and oxygen evolution reactions during alkaline water electrolysis and the oxygen electro-reduction taking place in fuel cells are of particular importance. There is no universal theory explaining all the details of the AM cation effect in electrocatalysis. For example, it remains unclear how “spectator” AM-cations can change the kinetics of electrocatalytic reactions often more significantly than the modifications of the electrode structure and composition. This situation originates partly from a lack of systematic experimental and theoretical studies of this phenomenon. The present work exploits impedance spectroscopy to investigate the influence of the AM cations on the mechanism of the hydrogen evolution reaction at Pt microelectrodes. The activity follows the trend: Li+≥Na+>K+>Cs+, where the highest activity corresponds to 0.1 ​M LiOH electrolytes at low overpotentials. We demonstrate that the nature of the AM cations also changes the relative contribution of the Volmer–Heyrovsky and Volmer–Tafel mechanisms to the overall reaction, with the former being more important for LiOH electrolytes. Our density functional theory-based thermodynamics and molecular dynamics calculations support these findings.
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