Bonds over Electrons: Proton Coupled Electron Transfer at Solid–Solution Interfaces

化学 质子耦合电子转移 电子转移 化学物理 氧化还原 电子 电化学 原子物理学 半导体 质子 离解(化学) 物理化学 无机化学 电极 量子力学 物理
作者
James M. Mayer
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (13): 7050-7064 被引量:62
标识
DOI:10.1021/jacs.2c10212
摘要

This Perspective argues that most redox reactions of materials at an interface with a protic solution involve net proton-coupled electron transfer (PCET) (or other cation-coupled ET). This view contrasts with the traditional electron-transfer-focused view of redox reactions at semiconductors, but redox processes at metal surfaces are often described as PCET. Taking a thermodynamic perspective, transfer of an electron is typically accompanied by a stoichiometric proton, much as the chemistry of lithium-ion batteries involves coupled transfers of e- and Li+. The PCET viewpoint implicates the surface-H bond dissociation free energy (BDFE) as the preeminent energetic parameter and its conceptual equivalents, the electrochemical ne-/nH+ potential versus the reversible hydrogen electrode (RHE) and the free energy of hydrogenation, ΔG°H. These parameters capture the thermochemistry of PCET at interfaces better than electronic parameters such as Fermi energies, electron chemical potentials, flat-band potentials, or band-edge energies. A unified picture of PCET at metal and semiconductor surfaces is presented. Exceptions, limitations, implications, and future directions motivated by this approach are described.
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