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Proton transport mechanisms in aqueous acids: Insights from ab initio molecular dynamics simulations

水溶液 化学 质子输运 分子 溶剂化 分子动力学 氢键 扩散 质子 无机化学 物理化学 计算化学 化学物理 热力学 有机化学 生物化学 物理 量子力学
作者
Zhenghao Zhu,Alexei P. Sokolov,Stephen J. Paddison
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:161 (15) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0222398
摘要

The solvation and transport of protons in aqueous solutions of phosphoric acid (PA), sulfuric acid (SA), and nitric acid (NA) were studied using ab initio molecular dynamics simulations. Systems with acid-to-water ratios of 1:1 and 1:3 were examined to understand the similarities and differences in transport mechanisms. The solvation structure of H3O+ in these systems is similar to that in slightly acidic water, with variations in the strength of hydrogen bonds (H-bonds) accepted by acid molecules. In aqueous PA systems, strong H-bonds between PA molecules are slightly affected by water, leading to significantly greater H3O+ diffusion compared to aqueous SA and NA systems. This enhanced diffusion is attributed to the participation of PA molecules in H3O+ transport, where the PA molecule can shuttle a proton for H3O+, facilitating a large displacement via collective proton hopping. This shuttling mechanism is prominent in aqueous PA but rare in aqueous SA and absent in aqueous NA. Moreover, the decomposition of H3O+ diffusion into vehicular and structural components indicates that the higher diffusion in aqueous PA is primarily due to the structural mechanism with the aid of PA molecules. In the aqueous NA systems, the vehicular diffusion is dominant at low water contents and the increase in water content improves the structural diffusion by forming connected H-bonds within water molecules. Our findings elucidate the role of acid molecules in proton transport within their aqueous solutions, thereby advancing the fundamental understanding of proton transport mechanisms.

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