Proton Relay for the Rate Enhancement of Electrochemical Hydrogen Reactions at Heterogeneous Interfaces

化学 电催化剂 质子 电化学 电解质 氧化物 动力学 反应性(心理学) 电化学动力学 无机化学 电极 物理化学 有机化学 医学 物理 替代医学 量子力学 病理
作者
Yang Qiu,Debmalya Ray,Litao Yan,Xiaohong Li,Miao Song,Mark Engelhard,Junming Sun,Mal‐Soon Lee,Xin Zhang,Manh‐Thuong Nguyen,Vassiliki‐Alexandra Glezakou,Yong Wang,Roger J. Rousseau,Yuyan Shao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (48): 26016-26027 被引量:25
标识
DOI:10.1021/jacs.3c06398
摘要

Proton transfer is critically important to many electrocatalytic reactions, and directed proton delivery could open new avenues for the design of electrocatalysts. However, although this approach has been successful in molecular electrocatalysis, proton transfer has not received the same attention in heterogeneous electrocatalyst design. Here, we report that a metal oxide proton relay can be built within heterogeneous electrocatalyst architectures and improves the kinetics of electrochemical hydrogen evolution and oxidation reactions. The volcano-type relationship between activity enhancement and p K a of amine additives confirms this improvement; we observe maximum rate enhancement when the p K a of a proton relay matches the pH of the electrolyte solution. Density-functional-theory-based reactivity studies reveal a decreased proton transfer energy barrier with a metal oxide proton relay. These findings demonstrate the possibility of controlling the proton delivery and enhancing the reaction kinetics by tuning the chemical properties and structures at heterogeneous interfaces.
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