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Cation- and pH-Dependent Hydrogen Evolution and Oxidation Reaction Kinetics

化学 电解质 动力学 分子动力学 无机化学 化学物理 物理化学 计算化学 有机化学 电极 量子力学 物理
作者
Botao Huang,Reshma R. Rao,Sifan You,Kyaw Hpone Myint,Yizhi Song,Yanming Wang,Wendu Ding,Livia Giordano,Yirui Zhang,Tao Wang,Sokseiha Muy,Yu Katayama,Jeffrey C. Grossman,Adam P. Willard,Kang Xu,Ying Jiang,Yang Shao‐Horn
出处
期刊:JACS Au [American Chemical Society]
卷期号:1 (10): 1674-1687 被引量:291
标识
DOI:10.1021/jacsau.1c00281
摘要

The production of molecular hydrogen by catalyzing water splitting is central to achieving the decarbonization of sustainable fuels and chemical transformations. In this work, a series of structure-making/breaking cations in the electrolyte were investigated as spectator cations in hydrogen evolution and oxidation reactions (HER/HOR) in the pH range of 1 to 14, whose kinetics was found to be altered by up to 2 orders of magnitude by these cations. The exchange current density of HER/HOR was shown to increase with greater structure-making tendency of cations in the order of Cs+ < Rb+ < K+ < Na+ < Li+, which was accompanied by decreasing reorganization energy from the Marcus-Hush-Chidsey formalism and increasing reaction entropy. Invoking the Born model of reorganization energy and reaction entropy, the static dielectric constant of the electrolyte at the electrified interface was found to be significantly lower than that of bulk, decreasing with the structure-making tendency of cations at the negatively charged Pt surface. The physical origin of cation-dependent HER/HOR kinetics can be rationalized by an increase in concentration of cations on the negatively charged Pt surface, altering the interfacial water structure and the H-bonding network, which is supported by classical molecular dynamics simulation and surface-enhanced infrared absorption spectroscopy. This work highlights immense opportunities to control the reaction rates by tuning interfacial structures of cation and solvents.
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