Understanding Cation Effects on the Hydrogen Evolution Reaction

碱金属 离解(化学) 电解质 无机化学 金属 化学 屏障激活 从头算 物理化学 计算化学 密度泛函理论 电极 有机化学
作者
Jay T. Bender,Amanda Schramm Petersen,Frederik C. Østergaard,Mikayla A. Wood,Sean M. J. Heffernan,Delia J. Milliron,Jan Rossmeisl,Joaquin Resasco
出处
期刊:ACS energy letters [American Chemical Society]
卷期号:8 (1): 657-665 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsenergylett.2c02500
摘要

The hydrogen evolution reaction (HER) is known to be influenced by the identity of alkali metal cations in the electrolyte. But a clear understanding of this behavior has not been developed. Here, we present the results of experimental and theoretical studies that describe how alkali metal cations influence the HER in acidic and basic electrolytes. Alkali metal cations are shown to have no systematic effect on HER rates in acid. In alkaline media, rates decrease with increasing cation size over Ir, Pd, and Pt (Li+ > Na+ > K+ > Cs+) and increase with cation size over Cu, Ag, and Au (Li+ < Na+ < K+ < Cs+). We argue that interfacial cations lower the activation barrier for water dissociation, an elementary step unique to the HER in alkaline media. HER rates are limited by this step on Cu, Ag, and Au but are not over Ir, Pd, and Pt, explaining the inverted activity trend. Based on ab initio molecular dynamics simulations, we suggest that trends with cation size are attributable to the greater willingness of large, weakly solvated cations to approach the electrode surface.
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