Chun Jang Ho;Mun Kyeong Hyeon;Cho Sung Chil;Son Kwang Chul
Journal of the Korean Electrochemical Society
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v.2
no.2
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pp.70-74
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1999
The electrode kinetic parameters at the Pd/0.5 M LiOH electrolyte interface have been qualitatively studied using the phase-shift method. The phase shift $(\phi)$ depends on both the cathode potential (E>0) and frequency (f), and $\theta$ is inversely proportional to the fractional surface coverage $\theta$. At an intermediate frequency (10 Hz), the phase-shift profile $(\phi\;vs.\;E)$ can be related to the fractional surface coverage $(\theta\;vs.\;E)$. The phase-shift method can be used to estimate or plot the Frumkin adsorption isotherm. The rate (r) of change of the free energy of adsorption with $({\theta})$ is 22.3 kJ/mol. The equilibrium constant (K) for adsorption and the standard free energy $({\Delta}G_{\theta})$ of the adsorbed hydrogen atom $(H_{ads})$ are $3.7\times10^{-3}{\Delta}G_{\theta}>-8.4kJ/mol$, respectively. For 1$0.38>\theta>0$, the energy liberation or the exothermic reaction for hydrogen adsorption at the Pd cathode can be occurred. The electrode kinetic parameters $(r,\;K,\;{\Delta}G_{\theta}$ depend on the fractional surface coverage $({\theta})$ or the phase shift $(\phi)$.
The Langmuir adsorption isotherm at the $(Pt)/0.1M\;H_2SO_4$ electrolyte interface has been qualitatively analyzed using the ac impedance measurement and phase-shift method. The phase shift $(\phi)$ depends on both the cathode potential (E<0) and frequency (f) and is inversely proportional to the factional surface coverage $(\theta)$. At an intermediate frequency band (ca. $1\~100$ Hz), the phase-shift profile $(\phi\;vs.\;E)$ can be related to the fractional surface coverage $(\theta\;vs.\;E)$. The phase-shift profile $(\phi\;vs.\;E)$ can be used as an experimental method to estimate and analyze the Langmuir adsorption isotherm $(\theta\;vs.\;E)$. The equilibrium constant (K) and the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of the adsorbed hydrogen atom $(H_{ads})\;and\;3\times10^{-4}$ and 20.1 kJ/mol, respectively.
The Langmuir adsorption isotherms of the under-potentially deposited hydrogen (UPD H) and the over-potentially deposited hydrogen (OPD H) at the single crystal Pt(100)/0.5 M $H_2SO_4$ and 0.5 M LiOH aqueous electrolyte interfaces have been studied using the phase-shift method. The phase-shift profile $({-\varphi}\;vs.\;E)$ for the optimum intermediate frequency can be used as a useful method to estimate the Langmuir adsorption isotherm $(\theta\;vs.\;E)$ at the interfaces. The equilibrium constant (K) for the OPD H and the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of the OPD H at the Pt(100)/0.5M $H_2SO_4$ aqueous electrolyte interface are $1.5\times10^{-4}$ and 21.8 kJ/mol, respectively. At the Pt(100)/0.5 LiOH aqueous electrolyte interface, K transits from 1.9(UPD H) to $6.8\times10^{-6}$(OPD H) depending on the cathode potential (E) and vice versa. Similarly, ${\Delta}G_{ads}$ transits -1.6 kJ/mol (UPD H) to 29.5 kJ/mol (OPD H) depending on E and vice versa. The transition of K and ${\Delta}G_{ads}$ is attributed to the two distinct adsorption sites of the UPD H and OPD H on the Pt(100) surface. The UPD H and the OPD H at the Pt(100) interfaces are the independent processes depending on the H adsorption sites rather than the sequential processes for the cathodic $H_2$ evolution reactions.
The relation between the phase-shift profile fur the intermediate frequencies and the Langmuir adsorption isotherm at the poly-Ir/0.1 M $H_2SO_4$ aqueous electrolyte interface has been studied using ac impedance measurements, i.e., the phase-shift methods. The simplified interfacial equivalent circuit consists of the serial connection of the electrolyte resistance $(R_s)$, the faradaic resistance $(R_F)$, and the equivalent circuit element $(C_P)$ of the adsorption pseudoca-pacitance $(C_\phi)$. The comparison of the change rates of the $\Delta(-\phi)/{\Delta}E\;and\;\Delta{\theta}/{\Delta}E$ are represented. The delayed phase shift $(\phi)$ depends on both the cathode potential (E) and frequency (f), and is given by $\phi=tan^{-1}[1/2{\pi}f(R_s+R_F)C_P]$. The phase-shift profile $(-\phi\;vs.\;E)$ for the intermediate frequency (ca. 1 Hz) can be used as an experimental method to determine the Langmuir adsorption isotherm $(\theta\;vs.\;E)$. The equilibrium constant (K) for H adsorption and the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of H adsorption at the poly-Ir/0.1 M $H_2SO_4$ electrolyte interface are $2.0\times10^{-4}$ and 21.1kJ/mol, respectively. The H adsorption is attributed to the over-potentially deposited hydrogen (OPD H).
The relation between the phase-shift profile for the intermediate frequencies and the Langmuir adsorption isotherm at the poly-$Pt/0.1\;M\;H_2SO_4$ aqueous electrolyte interface has been studied using ac impedance measurements, i.e., the phase-shift methods. The suggested interfacial equivalent circuit consists of the serial connection of the electrolyte resistance ($R_S$), the faradaic resistance $(R_F)$ and the equivalent circuit element $(C_P)$ of the adsorption pseudocapacitance $(C_\varphi)$. The delayed phase shift $(\varphi)$ depends on both the cathode potential (E) and frequency (f), and is given by $\varphi=-tan^{-1}[1/2{\pi}f(R_s+R_F)C_p]$. The phase-shift profile $(\varphi\;vs.\;E)$ for the intermediate frequency (ca. 6Hz) can be used as an experimental method to determine the Langmuir adsorption isotherm (9 vs. E). The equilibrium constant (K) for H adsorption and the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of H adsorption at the poly-$Pt/0.1\;M\;H_2SO_4$ electrolyte interface are $1.8\times10^{-4}\;and\;21.4kJ/mol$, respectively. The H adsorption is attributed to the over-potentially deposited hydrogen (OPD H).
The two distinct adsorption sites and transition between the under and over-potentially deposited hydrogen (UPD H and OPD H) on the polycrystalline iridium (poly-Ir) surface in the 0.2 M LiOH electrolyte have been studied using the phase-shift method. At the forward and backward scans, the UPD H peak occurs on the cyclic voltam-mogram. The transition region on the phase-shift profile or the Langmuir adsorption isotherm occurs at ca. -0.80 to -0.95 V vs. SCE. At the transition region (-0.80 to -0.95 V vs. SCE), the equilibrium constant (K) for H adsorption transits from $7.9\times10^{-2}\;to\;1.5\times10^{-4}$ and vice versa. Similarly, the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of H adsorption transits from 6.3 to 21.8kJ/mol and vice versa. The UPD H and OPD H on the poly-Ir surface act as two distinguishable electroadsorbed H species. Both the UPD H peak and the transition region are attributed to the two distinct adsorption sites of the UPD H and OPD H on the poly-Ir surface.
The Langmuir adsorption isotherm of the over-potentially deposited hydrogen (OPD H) for the cathodic $H_2$ evolution reaction (HER) at the $poly-Au|0.5M\;H_2SO_4$ aqueous electrolyte interface has been studied using cyclic voltammetric and ac impedance techniques. The behavior of the phase shift $(0^{\circ}\leq{-\phi}\leq90^{\circ})$ for the optimum intermediate frequency corresponds well to that of the fractional surface coverage $(1\geq{\theta}\geq0)$ at the interface. The phase-shift profile $({-\phi}\;vs.\;E)$ for the optimum intermediate frequency, i.e., the phase-shift method, can be used as a new method to estimate the Langmuir adsorption isotherm $(\theta\;vs.\;E)$ of the OPD H for the cathodic HER at the interface. At the poly-$Au|0.5M\;H_2SO_4$ electrolyte interface, the equilibrium constant (K) and standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of the OPD H are $2.3\times10^{-6}\;and\;32.2\;kJ\;mol^{-1}$, respectively.
The electrochemical characteristics of two distinct adsorption sites of H at the polycrystalline Pt/0.2 M LiOH aqueous electrolyte interface have been studied using the phase-shift method. At the forward and backward scans, the under-potentially deposited H (WD H) peak occurs on the cyclic voltammogram. The transition region on the phase-shift profile or the Langmuir adsorption isotherm occurs at ca. -0.66 to -0.96 V vs. SCE. At the transition region (ca. -0.66 to -0.96 V vs. SCE), the equilibrium constant (K) for H adsorption transits from 18.5 to $4.0\times10^{-5}$ and vice versa. Similarly, the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of H adsorption transits from -7.2 to 25.1kJ/mol and vice versa. The under and over-potentially deposited H (UPD H and OPD H) on the poly-Pt surface act as two distinguishable electroadsorbed H species. An exothermic reaction occurs at the UPD H range. Both the UPD H peak and the transition region are attributed to the two distinct adsorption sites of the UPD H and OPD H on the poly-Pt surface.
The phase-shift method and correlation constants for studying a linear relationship between the behavior ($-{\varphi}\;vs.\;E$) of the phase shift ($0^{\circ}{\leq}-{\varphi}{\leq}90^{\circ}$) for the optimum intermediate frequency and that (${\theta}\;vs.\;E$) of the fractional surface coverage ($1{\geq}\theta{\geq}0$) have been proposed and verified to determine the Langmuir, Frumkin, and Temkin adsorption isotherms (${\theta}\;vs.\;E$) at noble metal/aqueous electrolyte interfaces. At an Ir/0.1 M KOH aqueous electrolyte interface, the Langmuir and Temkin adsorption isotherms (${\theta}\;vs.\;E$), equilibrium constants ($K=3.3{\times}10^{-4}\;mol^{-1}$ for the Langmuir and $K=3.3{\times}10^{-3}{\exp}(-4.6{\theta})\;mol^{-1}$ for the Temkin adsorption isotherm), interaction parameter (g = 4.6 for the Temkin adsorption isotherm), and standard free energies (${\Delta}G_{ads}^0=19.9kJ\;mol^{-1}\;for\;K=3.3{\times}10^{-4}\;mol^{-1}$ and $16.5<{\Delta}G_{\theta}^0<23.3\;kJ\;mol^{-1}\;for\;K=3.3{\times}10^{-3}{\exp}(-4.6{\theta})\;mol^{-1}\;and\;0.2<\theta<0.8$) of H for the cathodic $H_2$ evolution reaction are determined using the phase-shift method and correlation constants. The inhomogeneous and lateral interaction effects on the adsorption of H are negligible. At the intermediate values of ${\theta},\;i.e,\;0.2<{\theta}<0.8$, the Temkin adsorption isotherm (${\theta}\;vs.\;E$) correlating with the Langmuir or the Frumkin adsorption isotherm (${\theta}\;vs.\;E$), and vice versa, is readily determined using the correlation constants. The phase-shift method and correlation constants are accurate and reliable techniques to determine the adsorption isotherms (${\theta}\;vs.\;E$) and related electrode kinetic and thermodynamic parameters(K, g, ${\Delta}G_{ads}^0, {\Delta}G_{\theta}^0$).
The Langmuir adsorption isotherms of the under-potentially deposited hydrogen (UPD H) and the over-potentially deposited hydrogen (OPD H) at the poly-Pt/0.5M $H_2SO_4$ and 0.5 M LiOH aqueous electrolyte interfaces have been studied using cyclic voltammetric and ac impedance techniques. The behavior of the phase shift $(0^{\circ}{\leq}{-\phi}{\leq}90^{\circ})$ for the optimum intermediate frequency corresponds well to that of the fractional surface coverage $(1{\geq}{\theta}{\geq}0)$ at the interfaces. The phase-shift method, i.e., the phase-shift profile $({-\phi}\;vs.\;E)$ for the optimum intermediate frequency, can be used as a new electrochemical method to determine the Langmuir adsorption isotherms $({\theta}\;vs.\;E)$ of the UPD H and the OPD H for the cathodic $H_2$ evolution reactions at the interfaces. At the poly-Pt/0.5M $H_2SO_4$ aqueous electrolyte interface, the equilibrium constant (K) and the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of the OPD H are $2.1\times10^{-4}$ and 21.0kJ/mol, respectively. At the poly-Pt/0.5M LiOH aqueous electrolyte interface, K transits from 2.7(UPD H) to $6.2\times10^{-6}$ (OPD H) depending on the cathode potential (E) and vice versa. Similarly, ${\Delta}G_{ads}$ transits from -2.5kJ/mol (UPD H) to 29.7kJ/mol (OPD H) depending on I and vice versa. The transition of K and ${\Delta}G_{ads}$ is attributed to the two distinct adsorption sites of the UPD H and the OPD H on the poly-Pt surface. The UPD H and the OPD H on the poly-Pt surface are the independent processes depending on the H adsorption sites themselves rather than the sequential processes for the cathodic $H_2$ evolution reactions. The criterion of the UPD H and the OPD H is the H adsorption sites and processes rather than the $H_2$ evolution reactions and potentials. The poly-Pt wire electrode is more efficient and useful than the Pt(100) disc electrode for the cathodic $H_2$ evolution reactions in the aqueous electrolytes. The phase-shift method is well complementary to the thermodynamic method rather than conflicting.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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