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Hydrogen bond network connectivity in the electric double layer dominates the kinetic pH effect in hydrogen electrocatalysis on Pt

电催化剂 化学 从头算 电解质 催化作用 化学物理 红外光谱学 动力学 氢键 吸附 无机化学 分子 电极 物理化学 电化学 有机化学 物理 量子力学
作者
Peng Li,Yaling Jiang,Youcheng Hu,Yana Men,Yuwen Liu,Wen‐Bin Cai,Shengli Chen
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:5 (10): 900-911 被引量:744
标识
DOI:10.1038/s41929-022-00846-8
摘要

The origin of the large kinetic pH effect in hydrogen electrocatalysis, that is, the approximately two orders of magnitude decrease in reaction kinetics when moving from acid to alkaline, remains far from having a consensus. Here we show that it is the significantly different connectivity of hydrogen-bond networks in electric double layers that causes the large kinetic pH effect. This result has been obtained by meticulously comparing the electric double layers of acid and alkaline interfaces from ab initio molecular dynamics simulations, and the computed vibrational density of states of water molecules in the interfaces simulated with ab initio molecular dynamics, with the results of in situ surface-enhanced infrared absorption spectroscopy. Using a Pt–Ru alloy as a model catalyst, we further reveal an unanticipated role of OH adsorption in improving the kinetics of alkaline hydrogen electrocatalysis, namely, by increasing the connectivity of hydrogen-bond networks in electric double layers rather than by merely affecting the energetics of surface reaction steps. These findings highlight the key roles of electric double layer structures in electrocatalysis. The hydrogen evolution and oxidation reactions on Pt electrocatalysts exhibit much more favourable kinetics in acidic than in alkaline electrolytes. Now, by combining theoretical simulations and spectroscopic measurements, it is demonstrated that the different connectivity of hydrogen-bond networks in the electric double layer is responsible for such an effect.
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