Structure, hydrolysis, and diffusion of aqueous vanadium ions from Car-Parrinello molecular dynamics

水溶液 化学 扩散 分子动力学 溶剂化壳 氯化物 无机化学 水解 分子 离子 电解质 物理化学 计算化学 溶剂化 热力学 有机化学 物理 电极
作者
Zhen Jiang,Konstantin Klyukin,Vitaly Alexandrov
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:145 (11) 被引量:38
标识
DOI:10.1063/1.4962748
摘要

A molecular level understanding of the properties of electroactive vanadium species in aqueous solution is crucial for enhancing the performance of vanadium redox flow batteries. Here, we employ Car-Parrinello molecular dynamics simulations based on density functional theory to investigate the hydration structures, first hydrolysis reaction, and diffusion of aqueous V2+, V3+, VO2+, and VO2+ ions at 300 K. The results indicate that the first hydration shell of both V2+ and V3+ contains six water molecules, while VO2+ is coordinated to five and VO2+ to three water ligands. The first acidity constants (pKa) estimated using metadynamics simulations are 2.47, 3.06, and 5.38 for aqueous V3+, VO2+, and VO2+, respectively, while V2+ is predicted to be a fairly weak acid in aqueous solution with a pKa value of 6.22. We also show that the presence of chloride ions in the first coordination sphere of the aqueous VO2+ ion has a significant impact on water hydrolysis leading to a much higher pKa value of 4.8. This should result in a lower propensity of aqueous VO2+ for oxide precipitation reaction in agreement with experimental observations for chloride-based electrolyte solutions. The computed diffusion coefficients of vanadium species in water at room temperature are found to increase as V3+<V O2+<V O2+<V2+ and thus correlate with the simulated hydrolysis constants, namely, the higher the pKa value, the greater the diffusion coefficient.
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