Bulter-Volmer 方程:
i=ic−ia=FAk0[cO(0,t)exp−βF(E−E0′)RT−cR(0,t)exp(1−β)F(E−E0′)RT]
或者
i=i0[cO(0,t)c∗Oexp−βF(E−Eeq)RT−cR(0,t)c∗Rexp(1−β)F(E−Eeq)RT]
在碱性溶液中HER可由如下三步基元反应组成

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,
k1k−1k2k−2=k01exp−β1Fη1RT=k0−1exp(1−β1)Fη1RT=k02exp−β2Fη2RT=k0−2exp(1−β2)Fη2RT(4)(5)(6)(7)
其中βj为各个基元反应j的symmetry factor,近似取值0.5; k0j为基元反应j的标准速率常数, k0j为反应j的标准速率常数
η1=E−Eeq,1(8)
η2=E−Eeq,2(9)
则每一个反应的反应速率为:
r1r−1r2r−2r3r−3=k1aH2O(1−θ)=k01aH2O(1−θ)exp−β1Fη1RT=k−1θaOH−=k0−1aOH−θexp(1−β1)Fη1RT=k2aH2Oθ=k02aH2Oθexp−β2Fη2RT=k−2pH2aOH−(1−θ)=k0−2pH2aOH−(1−θ)exp(1−β2)Fη2RT=k3θ2=k−3pH2(1−θ)2(10)(11)(12)(13)(14)(15)
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θ≈0,则整体反应速率r
r=r1
r=k01aH2O(1−θ)exp−β1Fη1RT(13)
则电流
i=nFAr=nFAk01aH2O(1−θ)exp−β1Fη1RT(14)
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
r1=r−1(15)
即
k01aH2O(1−θ)exp−β1Fη1RT=k0−1aOH−θexp(1−β1)Fη1RT(16)
解出θ
θ=k01aH2Oexp−β1Fη1RTk01aH2Oexp−β1Fη1RT+k0−1aOH−exp(1−β1)Fη1RT=k01aH2Ok01aH2O+k0−1aOH−expFη1RT(17)
因此总反应速率
r=r2(18)
把(19)带入(11)则得到总反应速率
r=k02aH2Oθexp−β2Fη2RT(19)
则总电流为
i=nFAk01k02a2H2Ok01aH2O+k0−1aOH−expFη1RTexp−β2Fη2RT(20)
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:
r=k3θ2=k3⎡⎣⎢⎢k01aH2Ok01aH2O+k0−1aOH−expFη1RT⎤⎦⎥⎥2(21)
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