Platinum Surface Water Orientation Dictates Hydrogen Evolution Reaction Kinetics in Alkaline Media

化学 塔菲尔方程 动力学 铂金 循环伏安法 氢键 分子 无机化学 物理化学 电化学 催化作用 有机化学 电极 物理 量子力学
作者
Aamir Hassan Shah,Zisheng Zhang,Chunru Wan,Sibo Wang,Ao Zhang,Laiyuan Wang,Anastassia N. Alexandrova,Yu Huang,Xiangfeng Duan
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (14): 9623-9630
标识
DOI:10.1021/jacs.3c12934
摘要

The fundamental understanding of sluggish hydrogen evolution reaction (HER) kinetics on a platinum (Pt) surface in alkaline media is a topic of considerable debate. Herein, we combine cyclic voltammetry (CV) and electrical transport spectroscopy (ETS) approaches to probe the Pt surface at different pH values and develop molecular-level insights into the pH-dependent HER kinetics in alkaline media. The change in HER Tafel slope from ∼110 mV/decade in pH 7–10 to ∼53 mV/decade in pH 11–13 suggests considerably enhanced kinetics at higher pH. The ETS studies reveal a similar pH-dependent switch in the ETS conductance signal at around pH 10, suggesting a notable change of surface adsorbates. Fixed-potential calculations and chemical bonding analysis suggest that this switch is attributed to a change in interfacial water orientation, shifting from primarily an O-down configuration below pH 10 to a H-down configuration above pH 10. This reorientation weakens the O–H bond in the interfacial water molecules and modifies the reaction pathway, leading to considerably accelerated HER kinetics at higher pH. Our integrated studies provide an unprecedented molecular-level understanding of the nontrivial pH-dependent HER kinetics in alkaline media.
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