Bulter-Volmer 方程:

i=icia=FAk0[cO(0,t)expβF(EE0)RTcR(0,t)exp(1β)F(EE0)RT]

或者
i=i0[cO(0,t)cOexpβF(EEeq)RTcR(0,t)cRexp(1β)F(EEeq)RT]


在碱性溶液中HER可由如下三步基元反应组成
碱性溶液中HER动力学分析
其中*代表吸附活性位,按照Bulter-Volmer方程可得各个反应的反应速率常数,

(4)k1=k10expβ1Fη1RT(5)k1=k10exp(1β1)Fη1RT(6)k2=k20expβ2Fη2RT(7)k2=k20exp(1β2)Fη2RT

其中βj为各个基元反应j的symmetry factor,近似取值0.5; kj0为基元反应j的标准速率常数, kj0为反应j的标准速率常数

(8)η1=EEeq,1
(9)η2=EEeq,2

则每一个反应的反应速率为:

(10)r1=k1aH2O(1θ)=k10aH2O(1θ)expβ1Fη1RT(11)r1=k1θaOH=k10aOHθexp(1β1)Fη1RT(12)r2=k2aH2Oθ=k20aH2Oθexpβ2Fη2RT(13)r2=k2pH2aOH(1θ)=k20pH2aOH(1θ)exp(1β2)Fη2RT(14)r3=k3θ2(15)r3=k3pH2(1θ)2

分情况讨论在不同讨论在不同条件下得HER反应速率

1. 当反应(1)为控制步骤(Rate-Determining Step, RDS)

即表面H浓度接近于零θ0,则整体反应速率r

r=r1

(13)r=k10aH2O(1θ)expβ1Fη1RT

则电流
(14)i=nFAr=nFAk10aH2O(1θ)expβ1Fη1RT


2. 当反应(2)为控制步骤(Rate-Determining Step, RDS)

即反应(1)到达平衡状态,则

(15)r1=r1


(16)k10aH2O(1θ)expβ1Fη1RT=k10aOHθexp(1β1)Fη1RT

解出θ
(17)θ=k10aH2Oexpβ1Fη1RTk10aH2Oexpβ1Fη1RT+k10aOHexp(1β1)Fη1RT=k10aH2Ok10aH2O+k10aOHexpFη1RT

因此总反应速率
(18)r=r2

把(19)带入(11)则得到总反应速率
(19)r=k20aH2Oθexpβ2Fη2RT

则总电流为
(20)i=nFAk10k20aH2O2k10aH2O+k10aOHexpFη1RTexpβ2Fη2RT


3. 当反应(3)为控制步骤(Rate-Determining Step, RDS)

则反应(1)和反应(2)都达到平衡,那么(19)式依旧有效,在此情况下,总的反应速率r=r3
(21)r=k3θ2=k3[k10aH2Ok10aH2O+k10aOHexpFη1RT]2


参考文献:

[1]. Tatsuya Shinagawa, Angel T. Garcia-Esparza, Kazuhiro Takanabe. Insight on Tafel slopes from a microkinetic analysis of aqueous electrocatalysis for energy conversion. Scientific reports. 2015,5,13801

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