Interfacial water reorganization as a pH-dependent descriptor of the hydrogen evolution rate on platinum electrodes

铂金 电催化剂 电化学 化学 制氢 化学物理 无机化学 动力学 吸附 电极 催化作用 物理化学 有机化学 量子力学 物理
作者
Isis Ledezma‐Yanez,W. D. Wallace,Paula Sebastián‐Pascual,Vı́ctor Climent,Juan M. Feliu,Marc T. M. Koper
出处
期刊:Nature Energy [Springer Nature]
卷期号:2 (4) 被引量:815
标识
DOI:10.1038/nenergy.2017.31
摘要

Hydrogen evolution on platinum is a key reaction for electrocatalysis and sustainable energy storage, yet its pH-dependent kinetics are not fully understood. Here we present a detailed kinetic study of hydrogen adsorption and evolution on Pt(111) in a wide pH range. Electrochemical measurements show that hydrogen adsorption and hydrogen evolution are both slow in alkaline media, consistent with the observation of a shift in the rate-determining step for hydrogen evolution. Adding nickel to the Pt(111) surface lowers the barrier for hydrogen adsorption in alkaline solutions and thereby enhances the hydrogen evolution rate. We explain these observations with a model that highlights the role of the reorganization of interfacial water to accommodate charge transfer through the electric double layer, the energetics of which are controlled by how strongly water interacts with the interfacial field. The model is supported by laser-induced temperature-jump measurements. Our model sheds light on the origin of the slow kinetics for the hydrogen evolution reaction in alkaline media. Despite its role in electrocatalysis and hydrogen generation, a complete understanding of the hydrogen evolution reaction on platinum remains elusive. Here, a detailed kinetic study of hydrogen adsorption and evolution on Pt(111) highlights the role of interfacial water reorganization in the hydrogen adsorption step.
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