Inverse kinetic isotope effects in the oxygen reduction reaction at platinum single crystals

化学 动力学同位素效应 铂金 电化学 动能 吸附 同位素 反向 电子转移 氧气 无机化学 计算化学 物理化学 催化作用 有机化学 电极 原子物理学 几何学 物理 量子力学 数学
作者
Yao Yang,Rishi G. Agarwal,Phillips S. Hutchison,Rubén Rizo,Alexander V. Soudackov,Xinyao Lu,Enrique Herrero,Juan M. Feliú,Sharon Hammes‐Schiffer,James M. Mayer,Héctor D. Abruña
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:15 (2): 271-277 被引量:71
标识
DOI:10.1038/s41557-022-01084-y
摘要

Although the oxygen reduction reaction (ORR) involves multiple proton-coupled electron transfer processes, early studies reported the absence of kinetic isotope effects (KIEs) on polycrystalline platinum, probably due to the use of unpurified D2O. Here we developed a methodology to prepare ultra-pure D2O, which is indispensable for reliably investigating extremely surface-sensitive platinum single crystals. We find that Pt(111) exhibits much higher ORR activity in D2O than in H2O, with potential-dependent inverse KIEs of ~0.5, whereas Pt(100) and Pt(110) exhibit potential-independent inverse KIEs of ~0.8. Such inverse KIEs are closely correlated to the lower *OD coverage and weakened *OD binding strength relative to *OH, which, based on theoretical calculations, are attributed to the differences in their zero-point energies. This study suggests that the competing adsorption between *OH/*OD and *O2 probably plays an important role in the ORR rate-determining steps that involve a chemical step preceding an electrochemical step (CE mechanism).
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