Insight on Tafel slopes from a microkinetic analysis of aqueous electrocatalysis for energy conversion

塔菲尔方程 电催化剂 水溶液 电化学 化学 化学工程 材料科学 物理化学 电极 工程类
作者
Tatsuya Shinagawa,Angel T. Garcia‐Esparza,Kazuhiro Takanabe
出处
期刊:Scientific Reports [Nature Portfolio]
卷期号:5 (1) 被引量:2616
标识
DOI:10.1038/srep13801
摘要

Abstract Microkinetic analyses of aqueous electrochemistry involving gaseous H 2 or O 2 , i.e., hydrogen evolution reaction (HER), hydrogen oxidation reaction (HOR), oxygen reduction reaction (ORR) and oxygen evolution reaction (OER), are revisited. The Tafel slopes used to evaluate the rate determining steps generally assume extreme coverage of the adsorbed species (θ ≈ 0 or ≈1), although, in practice, the slopes are coverage-dependent. We conducted detailed kinetic analyses describing the coverage-dependent Tafel slopes for the aforementioned reactions. Our careful analyses provide a general benchmark for experimentally observed Tafel slopes that can be assigned to specific rate determining steps. The Tafel analysis is a powerful tool for discussing the rate determining steps involved in electrocatalysis, but our study also demonstrated that overly simplified assumptions led to an inaccurate description of the surface electrocatalysis. Additionally, in many studies, Tafel analyses have been performed in conjunction with the Butler-Volmer equation, where its applicability regarding only electron transfer kinetics is often overlooked. Based on the derived kinetic description of the HER/HOR as an example, the limitation of Butler-Volmer expression in electrocatalysis is also discussed in this report.
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