Electric-Double-Layer Origin of the Kinetic pH Effect of Hydrogen Electrocatalysis Revealed by a Universal Hydroxide Adsorption-Dependent Inflection-Point Behavior

化学 氢氧化物 氢铵 电催化剂 催化作用 电解质 拐点 无机化学 动力学 吸附 动能 物理化学 电化学 离子 有机化学 电极 几何学 物理 量子力学 数学
作者
Lixin Su,Junxiang Chen,Fulin Yang,Peng Li,Yiming Jin,Wei Luo,Shengli Chen
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (22): 12051-12058 被引量:75
标识
DOI:10.1021/jacs.3c01164
摘要

The mechanism of the kinetic pH effect in hydrogen electrocatalysis, that is, the order-of-magnitude kinetic gap between the hydrogen oxidation and evolution reactions (HOR/HER) in acidic and alkaline electrolytes, has been drastically explored but still intractable to reach a consensus, which severely limits the catalyst advance for alkaline-based hydrogen energy technologies. Herein, the HOR/HER kinetics on a number of precious metal-based electrocatalysts are evaluated in electrolytes with pHs spanning a wide range from 1 to 13. Instead of a monotonous decrease with pH as generally believed, we surprisingly find a universal inflection-point behavior in the pH dependence of HOR/HER kinetics on these catalysts, with both the inflection-point pH and the acid-alkaline activity gap depending on the hydroxide binding energy of the catalyst. Based on a triple-path microkinetic model, in which hydronium (H3O+) and water (H2O) with and without formation of adsorbed hydroxide (OHad), respectively, act as hydrogen donors participating in HOR/HER in various pHs, we reveal that the formation of OHad should promote the HOR/HER kinetics mainly by improving the hydrogen-bond network in the electric double layer (EDL), rather than merely through modulating the energetics of surface reaction steps such as disassociation/formation of water. The present results and conclusions indicate that it is the interfacial EDL that dominates the substantial kinetic pH effects of hydrogen electrocatalysis.
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