Cooperative Effect of Cations and Catalyst Structure in Tuning Alkaline Hydrogen Evolution on Pt Electrodes

化学 电解质 催化作用 吸附 动力学 电极 铂金 动能 无机化学 化学物理 有机化学 物理化学 物理 量子力学
作者
Akansha Goyal,Sheena Louisia,Pricilla Moerland,Marc T. M. Koper
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (11): 7305-7312 被引量:15
标识
DOI:10.1021/jacs.3c11866
摘要

The kinetics of hydrogen evolution reaction (HER) in alkaline media, a reaction central to alkaline water electrolyzers, is not accurately captured by traditional adsorption-based activity descriptors. As a result, the exact mechanism and the main driving force for the water reduction or HER rate remain hotly debated. Here, we perform extensive kinetic measurements on the pH- and cation-dependent HER rate on Pt single-crystal electrodes in alkaline conditions. We find that cations interacting with Pt step sites control the HER activity, while they interact only weakly with Pt(111) and Pt(100) terraces and, therefore, cations do not affect HER kinetics on terrace sites. This is reflected by divergent activity trends as a function of pH as well as cation concentration on stepped Pt surfaces vs Pt surfaces that do not feature steps, such as Pt(111). We show that HER activity can be optimized by rationally tuning these step–cation interactions via selective adatom deposition at the steps and by choosing an optimal electrolyte composition. Our work shows that the catalyst and the electrolyte must be tailored in conjunction to achieve the highest possible HER activity.
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