vii
Contents
1 Short Introduction to the Science of Electrocatalysis . . . . . . . . . . . . .
1
1.1 Potential at Electrode–Electrolyte Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2 Electrical Double Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3 Charge-Transfer Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.3.1 Current-Potential Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.3.2 Cyclic Voltammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3 Theories of Charge Transfers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Electrocatalytic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Effect of Electrode Material: Volcano Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Electrochemical Energy Conversion in Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1 Types of Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) . . . . . . . . 22
3.1.2 Alkaline Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.3 Phosphoric Acid Fuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.4 Solid Oxide Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.5 Molten Carbonate Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Studies of Electrocatalytic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1 Structural Effects in Electrocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Single-Crystal Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 Preparation of Well-Ordered Single-Crystal Electrodes . . . . . . . . . 31
4.4 Density Functional Theory Calculations in Electrocatalysis . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Important Electrosorption Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.1 Hydrogen Adsorption on Platinum Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Hydroxyl Adsorption and Oxide Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Contents
1 Short Introduction to the Science of Electrocatalysis . . . . . . . . . . . . .
1
1.1 Potential at Electrode–Electrolyte Interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.2 Electrical Double Layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.3 Charge-Transfer Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.3.1 Current-Potential Curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.3.2 Cyclic Voltammetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.3.3 Theories of Charge Transfers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2 Electrocatalytic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.1 Effect of Electrode Material: Volcano Plots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 Electrochemical Energy Conversion in Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1 Types of Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1.1 Proton Exchange Membrane Fuel Cell (PEMFC) . . . . . . . . 22
3.1.2 Alkaline Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.1.3 Phosphoric Acid Fuel Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.4 Solid Oxide Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.1.5 Molten Carbonate Fuel Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4 Studies of Electrocatalytic Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1 Structural Effects in Electrocatalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Single-Crystal Electrodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.3 Preparation of Well-Ordered Single-Crystal Electrodes . . . . . . . . . 31
4.4 Density Functional Theory Calculations in Electrocatalysis . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
5 Important Electrosorption Reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.1 Hydrogen Adsorption on Platinum Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
5.2 Hydroxyl Adsorption and Oxide Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40