A Film of Hydrophobic Cations Reshapes the Electric Double Layer at the Metal/Water Interface

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作者
Nicolai Silas Wichmann,W Chen,Qiwei Yao,Xiaoqing Yu,Mohammed Bin Jassar,Simone Pezzotti,Martina Havenith
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (13): 13550-13560 被引量:2
标识
DOI:10.1021/jacs.5c11586
摘要

In recent studies, it was observed that the addition of large hydrophobic cations, such as tetrabutylammonium (TBA+), into aqueous electrolytes enhances the rate of the hydrogen evolution reaction. This opens a promising perspective for optimizing electrochemical reactions via tuning of the electrolyte composition. We have constructed a THz ATR spectroelectrochemical cell that is able to unravel the underlying molecular details in the interfacial layer at the gold/water interface. We find spectroscopic evidence for the formation of a TBA+ rich film. Accompanying molecular dynamics simulations quantify the balance of electrostatics and hydrophobic solvation driving forces that dictates the TBA+ film formation. The composition of the film is strongly voltage-dependent, as confirmed by simulations. At positive potentials above 0.6 V versus Ag/AgCl, TBA+ only partially desorbs, causing the formation of a coadsorbed TBA+ and Cl− layer and the partial rehydration of the surface. By our joint experimental-theoretical study, we disclose that a film of hydrophobic TBA+ cations has a major impact on the structure of the hydrogen bond network at the electrode-water interface. This allows rationalizing at the molecular level the ion-induced structural changes at the interface that tune the catalytic performances.
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