Mechanistic understanding of pH effects on the oxygen evolution reaction

析氧 化学 电化学 阳极 氧化还原 化学物理 反应速率 反应机理 航程(航空) 氧气 无机化学 热力学 电极 催化作用 物理化学 材料科学 有机化学 物理 复合材料
作者
Julie C. Fornaciari,Lien‐Chun Weng,Shaun M Alia,Cheng Zhan,Tuan Anh Pham,Alexis T. Bell,Tadashi Ogitsu,Nemanja Danilovic,Adam Z. Weber
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier]
卷期号:405: 139810-139810 被引量:64
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2021.139810
摘要

The oxygen-evolution reaction (OER) is pivotal in many energy-conversion technologies as it is an important counter reaction to others that convert stable chemicals to higher-value products using electrochemistry. The local microenvironment and pH for the anode OER can vary from acidic to neutral to alkaline depending on the system being explored, making definitive mechanistic insights difficult. In this paper, we couple experiments, first-principles calculations based on density functional theory, microkinetics, and transport modeling to explore the entire pH range of the OER. At low current densities, neutral pH values unexpectedly perform better than the acidic and alkaline conditions, and this trend is reversed at higher current densities (> 20 mA cm−2). Using multiscale modeling, this switch is rationalized by a change from a dual-reaction mechanism to a single rate-determining step. The model also shows how the alkaline reaction rates dominate in the middle to high pH range. Furthermore, we explore that the local pH for near-neutral conditions is much different (e.g., 2.4 at the reaction surface vs. 9 in the bulk) than the pH extremes, demonstrating the criticality that transport phenomena plays in kinetic activity.

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