Influence of the Pt/ionomer/water interface on the oxygen reduction reaction: insights into the micro-three-phase interface

接口(物质) 离聚物 氧还原反应 还原(数学) 相(物质) 氧气 材料科学 化学工程 化学 物理化学 工程类 电化学 有机化学 复合材料 接触角 数学 电极 共聚物 坐滴法 几何学 聚合物
作者
Shangkun Jiang,Qiong Xiang,Zhi-Yan Xie,Na Yang,Jiawei Liu,Li Li,Zidong Wei
出处
期刊:Chemical Science [The Royal Society of Chemistry]
标识
DOI:10.1039/d4sc06600f
摘要

Understanding the Pt/ionomer/water interface structure and its impact on the oxygen reduction reaction (ORR) activity is essential for enhancing catalyst utilization and performance of fuel cells. This study aimed to investigate the influence of sulfonic acid groups on the Pt/ionomer/water interface and the ORR mechanism. By using a combination of DFT, AIMD, and microkinetic simulations, the results showed that when the sulfonic acid group is located at the edge of the Helmholtz plane, it creates an optimal three-phase interface, providing more available active sites, a stronger interfacial electric field, and a more continuous H-bond network. This configuration results in the *OOH dissociation becoming the rate-determining step, demonstrating significantly higher intrinsic ORR activity with a much lower theoretical overpotential of 0.11 V. Conversely, when the sulfonic acid group is in contact with the Pt surface, it causes the Pt surface's d-band center to shift down, weakens the interfacial electric field, and disrupts the H-bond network, resulting in a blocking effect on the ORR with an overpotential of 0.23 V. These insights shed light on the role of solid-solid-liquid interfaces in the ORR performance and provide valuable information for the rational design of catalyst interfaces.
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