Origin of the Overpotential for Oxygen Reduction at a Fuel-Cell Cathode

过电位 化学 电化学 氧气 阴极 电子转移 吸附 反应速率常数 无机化学 物理化学 电极 光化学 化学物理 氧化还原 动力学 有机化学 量子力学 物理
作者
Jens K. Nørskov,Jan Rossmeisl,Á. Logadóttir,Laura Louise Lindqvist,John R. Kitchin,Thomas Bligaard,Hannes Jónsson
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:108 (46): 17886-17892 被引量:12136
标识
DOI:10.1021/jp047349j
摘要

We present a method for calculating the stability of reaction intermediates of electrochemical processes on the basis of electronic structure calculations. We used that method in combination with detailed density functional calculations to develop a detailed description of the free-energy landscape of the electrochemical oxygen reduction reaction over Pt(111) as a function of applied bias. This allowed us to identify the origin of the overpotential found for this reaction. Adsorbed oxygen and hydroxyl are found to be very stable intermediates at potentials close to equilibrium, and the calculated rate constant for the activated proton/electron transfer to adsorbed oxygen or hydroxyl can account quantitatively for the observed kinetics. On the basis of a database of calculated oxygen and hydroxyl adsorption energies, the trends in the oxygen reduction rate for a large number of different transition and noble metals can be accounted for. Alternative reaction mechanisms involving proton/electron transfer to adsorbed molecular oxygen were also considered, and this peroxide mechanism was found to dominate for the most noble metals. The model suggests ways to improve the electrocatalytic properties of fuel-cell cathodes.
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