Sci. Adv.：铂-电解质界面上的氧吸附与氧还原反应活性直接相关

兔兔

2021-06-10

铂催化剂上的氧还原反应（ORR）是燃料电池的关键。实验中相对ORR活性的定量预测（在1到50倍的范围内）仍然具有挑战性，因为不完全的机理理解和缺乏计算工具来解释活化能（<2.3 kcal/mol）相关的微小差异。有鉴于此，科罗拉多大学波尔得分校Hendrik Heinz使用具有界面力场（IFF）（0.1 kcal/mol）的高精度分子动力学（MD）模拟，阐明了分子氧在规则和不规则铂表面和纳米结构上的吸附机制。

本文要点：

1）使用迄今为止未使用的工具进行ORR分析，具有IFF的MD模拟，在金属-水气界面上达到0.005 eV（=0.1 kcal/mol =0.2 RT）的必要精度，并能在几十纳秒内描述整个纳米级Pt催化剂颗粒的动力学。相对ORR活性是由氧进入铂表面决定的，这在很大程度上取决于特定的水吸附层，而电子转移以类似的缓慢速率发生。

2）MD模拟揭示了溶剂和溶质吸附层的作用、O₂结合的自由能以及氧在金属表面的吸附统计数据。由于化学键、可解释参数和已验证分子间能量的精确表示，利用IFF进行的模拟，结合实验数据和局部DFT计算，对纳米晶体生长、溶剂化效应和其他催化剂的活性产生了深刻的认识。

3）为Pt/电解质/O₂界面使用了新的力场参数，其精度比之前的模型高出10倍，包括比嵌入式原子模型、金属表面能和界面能密度泛函高几倍的可靠性。MD方法有助于定量预测任何铂纳米结构的相对ORR活性，适用于其他催化剂，并使有效的MD/DFT方法成为可能。

Shiyi Wang et al. Direct correlation of oxygen adsorption on platinum-electrolyte interfaces with the activity in the oxygen reduction reaction. Sci. Adv. 2021, 7 (24), eabb1435.

DOI: 10.1126/sciadv.abb1435.

https://advances.sciencemag.org/content/7/24/eabb1435