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Explanation of Dramatic pH-Dependence of Hydrogen Binding on Noble Metal Electrode: Greatly Weakened Water Adsorption at High pH

化学 电解质 吸附 无机化学 电化学 贵金属 催化作用 可逆氢电极 溶剂 电极 金属 物理化学 参比电极 有机化学
作者
Tao Cheng,Lu Wang,Boris V. Merinov,William A. Goddard
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (25): 7787-7790 被引量:361
标识
DOI:10.1021/jacs.8b04006
摘要

Hydrogen oxidation reaction (HOR) and hydrogen evolution reaction (HER) are both 2 orders slower in alkaline electrolyte than in acidic electrolyte, but no explanation has been provided. The first step toward understanding this dramatic pH-dependent HOR/HER performance is to explain the pH-dependent hydrogen binding to the electrode, a perplexing behavior observed experimentally. In this work, we carried out Quantum Mechanics Molecular Dynamics (QMMD) with explicit considerations of solvent and applied voltage (U) to in situ simulate water/Pt(100) interface in the condition of under-potential adsorption of hydrogen (HUPD). We found that as U is made more negative, the electrode tends to repel water, which in turn increases the hydrogen binding. We predicted a 0.13 eV increase in hydrogen binding from pH = 0.2 to pH = 12.8 with a slope of 10 meV/pH, which is close to the experimental observation of 8 to 12 meV/pH. Thus, we conclude that the changes in water adsorption are the major causes of pH-dependent hydrogen binding on a noble metal. The new insight of critical role of surface water in modifying electrochemical reactions provides a guideline in designing HER/HOR catalyst targeting for the alkaline electrolyte.
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