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−2k3k−3k5k−5=k01exp(1−β1)Fη1RT=k0−1exp−β1Fη1RT=k02exp(1−β2)Fη2RT=k0−2exp−β2Fη2RT=k03exp(1−β3)Fη3RT=k0−3exp−β3Fη3RT=k05exp(1−β5)Fη5RT=k0−5exp−β5Fη5RT(6)(7)(8)(9)(10)(12)(13)(14)
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(15)
η2=E−Eeq,2(16)
η3=E−Eeq,3(17)
η5=E−Eeq,5(18)
则每一个反应的反应速率为:
r1r−1r2r−2r3r−3r4r−4r5r−5=k1aOH−θV=k01aOH−θVexp(1−β1)Fη1RT=k−1θOH=k0−1θOHexp−β1Fη1RT=k2aOH−θOH−=k02aOH−θOH−exp(1−β2)Fη2RT=k−2aH2OθO=k0−2aH2OθOexp−β2Fη2RT=k3aOH−θO=k03aOH−θOexp(1−β3)Fη3RT=k−3θOOH=k0−3θOOHexp−β3Fη3RT=k4aOH−θOOH=k4aH2OθOO−=k5θOO−=k05θOO−exp(1−β5)Fη5RT=k−5pO2θV=k0−5pO2θVexp−β5Fη5RT(10)(11)(12)(13)(14)(15)(16)(17)(18)(19)
分情况讨论在不同讨论在不同条件下得OER反应速率
1. 当反应(1)为控制步骤(Rate-Determining Step, RDS)
即表面覆盖率接近于零θ≈0, 那么θV=1−θ≈1则整体反应速率r
r=r1(20)
r=k01aOH−θVexp(1−β1)Fη1RT=k01aOH−exp(1−β1)Fη1RT(21)
则电流
i=nFAr=nFAk01aOH−exp(1−β1)Fη1RT(22)
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
k01aOH−θVexp(1−β1)Fη1RT=k0−1θOHexp−β1Fη1RT(16)
解出
θOH 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