The Non-Monotonic Surface Charging Behavior of Platinum: Implications for Electrocatalysis in PEFC
Notice bibliographique
Résumé
In electrochemical systems, metal surface charging phenomena dictate the strength of electrostatic interactions between the electrified electrode and ions in solution. Historically, the potential of zero charge (pzc) of the metal has been employed to parameterize the surface charging relation [1][2]. However, for a Pt electrode, classical radiotracer experiments of Frumkin and Petrii revealed a non-monotonic charging behavior upon increasing the metal phase potential, with consecutive transitions from a negative to a positive surface charging region and further to another negative surface charging region [3]. Garcia-Araez et al. later reported a similar ‘negative-positive-negative’ charging relation derived from laser-pulsed experiments [4]. This alternating charging behavior defies the role of the pzc as a sufficient descriptor of electrode charging phenomena. The situation calls for an overhaul of the charging relation that must be derived from first principles. This study presents a refined structural model for electrified interfaces, as shown on the left side of Figure 1. The model accounts explicitly for charging effects caused by the formation of a surface oxide layer and a layer of oriented water molecules. An analytical expression for the charging relation is derived. The charging relation is parameterized using experimental data for a Pt surface as well as DFT calculations. It exhibits the three different charging regions observed in the experiments cited above. To illustrate the impact of the modified charging relation, it is employed to study the oxygen reduction reaction in nanoporous electrodes of polymer electrolyte fuel cells. References [1]. Frumkin, A.; Gorodetzkaya A. Z. Phys. Chem. 1928, 136, 451. [2]. Petrii, O. A. Zero charge potentials of platinum metals and electron work functions (Review). Russ. J. Electrochem. 2013, 49, 401. [3]. Frumkin, A. N.; Petrii, O. A. Potentials of zero total and zero free charge of platinum group metals. Electrochim. Acta. 1975, 20, 347. [4]. Garcia-Araez, N.; Climent, V.; Feliu, J. Potential-dependent water orientation on Pt (111), Pt (100), and Pt (110), as inferred from laser-pulsed experiments. Electrostatic and chemical effects. J. Phys. Chem. C. 2009, 113, 9290. Figure 1
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Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)
| Catégorie | Codex | Gemma |
|---|---|---|
| Métarecherche | 0,000 | 0,001 |
| Méta-épidémiologie (sens strict) | 0,000 | 0,000 |
| Méta-épidémiologie (sens large) | 0,000 | 0,000 |
| Bibliométrie | 0,000 | 0,000 |
| Études des sciences et des technologies | 0,000 | 0,001 |
| Communication savante | 0,001 | 0,001 |
| Science ouverte | 0,002 | 0,000 |
| Intégrité de la recherche | 0,002 | 0,001 |
| Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger) | 0,002 | 0,000 |
Scores machine (provisoires)
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Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».