pH Effects in a Model Electrocatalytic Reaction Disentangled

电催化剂 甲酸 高氯酸盐 吸附 化学 大规模运输 无机化学 电化学 热力学 化学物理 离子 物理化学 电极 物理 色谱法 有机化学 工程物理
作者
Xinwei Zhu,Jun Huang,Michael Eikerling
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:3 (4): 1052-1064 被引量:27
标识
DOI:10.1021/jacsau.2c00662
摘要

Varying the solution pH not only changes the reactant concentrations in bulk solution but also the local reaction environment (LRE) that is shaped furthermore by macroscopic mass transport and microscopic electric double layer (EDL) effects. Understanding ubiquitous pH effects in electrocatalysis requires disentangling these interwoven factors, which is a difficult, if not impossible, task without physical modeling. Herein, we demonstrate how a hierarchical model that integrates microkinetics, double-layer charging, and macroscopic mass transport can help understand pH effects of the formic acid oxidation reaction (FAOR). In terms of the relation between the peak activity and the solution pH, intrinsic pH effects without consideration of changes in the LRE would lead to a bell-shaped curve with a peak at pH = 6. Adding only macroscopic mass transport, we can already reproduce qualitatively the experimentally observed trapezoidal shape with a plateau between pH 5 and 10 in perchlorate and sulfate solutions. A quantitative agreement with experimental data requires consideration of EDL effects beyond Frumkin correlations. Specifically, the peculiar nonmonotonic surface charging relation affects the free energies of adsorbed intermediates. We further discuss pH effects of FAOR in phosphate and chloride-containing solutions, for which anion adsorption becomes important. This study underpins the importance of a full consideration of multiple interrelated factors for the interpretation of pH effects in electrocatalysis.
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