从 ab initio 统计热力学了解氢在 RuO₂(110) 表面下的覆盖情况
材料科学
2024-10-25 v1 化学物理
摘要
理解过电位下过渡金属氧化物表面的脱氢过程对于控制如氧还原反应 (OER) 等重要化学过程至关重要。我们使用第一性原理计算对 RuO₂(110) 上的热力学脱氢过程进行建模，并将结果与单晶上的实验循环伏安法 (CV) 进行比较。我们采用在 *ab initio* 能量数据上训练的聚类扩张模型，结合蒙特卡罗 (MC) 采样，推导从不同氢覆盖状态的能量中，到宏观电化学可观测量（即实验 CV）的关系。我们的模型成功复现了实验中观察到的独特“双峰”循环伏安曲线，电流峰位及形状与实验结果在定性上表现良好。我们指出，RuO₂(110) 在低电位（小于 0.4 V 相对于可逆氢电极，RHE）时，表面覆盖有水分子，氢原子位于桥位 (BRG) 和配位不饱和位点 (CUS)。随着电位升高，BRG 上的氢脱附，成为第一个 CV 峰的主要贡献，CUS 贡献较小。当所有 BRG 氢脱附（在 1.2 V 相对于 RHE 之前），剩余的 CUS 氢在极小的电位窗口内突然脱附，导致 CV 中观察到的尖锐第二峰。我们的工作表明，在 1.23 V 以上，OER 在完全脱氢的 RuO₂(110) 表面上进行。
引用
@article{arxiv.2410.18421,
title = {Atomistic understanding of hydrogen coverage on RuO2(110) surface under electrochemical conditions from ab initio statistical thermodynamics},
author = {Lei Zhang and Jan Kloppenburg and Chia-Yi Lin and Luka Mitrovic and Simon Gelin and Ismaila Dabo and Darrell G. Schlom and Jin Suntivich and Geoffroy Hautier},
journal= {arXiv preprint arXiv:2410.18421},
year = {2024}
}
备注
20 pages, 6 figures in Main Text, 3 figures in Supplementary Info,