廈門大學程俊課題組： 第一性原理計算電化學最新進展

【成果簡介】

廈門大學程俊教授課題組在金屬-水界面上的理論計算研究取得重要進展，相關成果以“Determining Potentials of Zero Charge of Metal versus Standard Hydrogen Electrodes fromDensity-Functional-Theory-Based Molecular Dynamics”為題發表在國際物理學期刊Physical?Review?Letters上。

【圖文導讀】

圖1?水合氫離子的去質子化

（a）在界面和純水模型中計算溶劑化水合氫離子去質子分解自由能的過程

（b）周期界面和純水模型中體相水靜電勢對照示意圖

圖2?水界面模型

（a）Pt（111）-水界面模型

（b）在由PBE功能計算的界面處投射的Pt和水的DOS圖

【研究內容】

金屬-水界面在電化學反應中起到重大作用，為了能夠直接將金屬-水界面的理論模擬結果與實驗數據相對比，其中一個亟待解決的核心問題是如何準確計算金屬-水界面的電極電勢。程俊教授課題組近幾年內發展的計算氫電極方法（Cheng et al.?Acc. Chem. Res.,?2014, 47, 3522）從原理上講可以解決這一難題，但實際操作中由于計算金屬-水界面中的水合氫離子的去質子化能所需要的計算量太大而難以實現。近期，他們利用金屬-水界面模型中體相水的靜電勢作為二次參照，將金屬-水界面中質子溶劑化能的計算轉嫁為體相水質子溶劑化能的計算，從而極大地降低了計算成本，實現對金屬電極零電荷電勢的精確計算。該方法可以直接拓展應用到其它固液（如半導體-水）界面。同時，該工作還發現界面水與金屬表面的作用導致電子云重排，對于Pt(111)面，這一因素可導致界面電勢變化超過1 eV，而界面水的取向在零電荷電勢下對于界面電勢的變化貢獻非常小，這一發現改變了以前電化學家對于界面電勢的通常認知。

該研究工作主要由來自英國阿伯丁大學的訪問博士生樂家波在程俊教授指導下完成，同時也得到了瑞士蘇黎世大學Marcella Iannuzzi博士和英國阿伯丁大學Angel Cuesta博士的技術支持和理論指導。該工作得到國家自然科學基金（Grants No. 21373166, 21621091）和中組部青年千人計劃的資助。

原文鏈接：http://chem.xmu.edu.cn/show.asp?id=2223.

文獻鏈接： Determining Potentials of Zero Charge of Metal versus Standard Hydrogen Electrodes fromDensity-Functional-Theory-Based Molecular Dynamics（Phys. Rev. Lett,2017，DOI：10.1103/PhysRevLett.119.016801）

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