Multidimensional Electrochemistry Decodes the Operando Mechanism of Hydrogen Oxidation

化学 机制(生物学) 电化学 解码 无机化学 物理化学 电极 计算机科学 物理 解码方法 量子力学 电信
作者
Kaicong Yang,Hualong Ma,Renjie Ren,Li Xiao,Wenyong Jiang,Yu Xie,Gongwei Wang,Juntao Lu,Lin Zhuang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:63 (24) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/anie.202318389
摘要

Being an efficient approach to the utilization of hydrogen energy, the hydrogen oxidation reaction (HOR) is of particular significance in the current carbon-neutrality time. Yet the mechanistic picture of the HOR is still blurred, mostly because the elemental steps of this reaction are rapid and highly entangled, especially when deviating from the thermodynamic equilibrium state. Here we report a strategy for decoding the HOR mechanism under operando conditions. In addition to the wide-potential-range I-V curves obtained using gas diffusion electrodes, we have applied the AC impedance spectroscopy to provide independent and complementary kinetic information. Combining multidimensional data sources has enabled us to fit, in mathematical rigor, the core kinetic parameter set in a 5-D data space. The reaction rate of the three elemental steps (Tafel, Heyrovsky, and Volmer reactions), as a function of the overpotential, can thus be distilled individually. Such an undocumented kinetic picture unravels, in detail, how the HOR is controlled by the elemental steps on polarization. For instance, at low polarization region, the Heyrovsky reaction is relatively slow and can be ignored; but at high polarization region, the Heyrovsky reaction will surpass the Tafel reaction. Additionally, the Volmer reaction has been the fastest within overpotentials of interest. Our findings not only offer a better understanding of the HOR mechanism, but also lay the foundation for the development of improved hydrogen energy utilization systems.

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