A first-principles study of H2O adsorption and dissociation on the SrTiO3(100) surface

离解(化学) 密度泛函理论 吸附 二聚体 化学 水二聚体 单层 化学物理 原子物理学 计算化学 分子物理学 材料科学 物理化学 分子 物理 氢键 生物化学 有机化学
作者
Beverly Brooks Hinojosa,Tim Van Cleve,Aravind Asthagiri
出处
期刊:Molecular Simulation [Taylor & Francis]
卷期号:36 (7-8): 604-617 被引量:25
标识
DOI:10.1080/08927021003762746
摘要

We use density functional theory (DFT) to examine the adsorption of H2O on the SrO- and TiO2-terminated SrTiO3(100) surface. At coverages of 0.5 monolayer (ML), we find that water preferentially binds associatively on the TiO2 termination by 0.2 eV/H2O and negligible differences in energy between associated and dissociated H2O on the SrO termination. These results are in agreement with an earlier hybrid Hartree–Fock-DFT study and the general conclusions from several experimental studies. But at coverages below 3/8 ML, our DFT calculations predict a crossover to preference for dissociative H2O on the TiO2 termination. On the SrO termination, the use of larger surface supercells (2 × 2) allows for the stabilisation of mixed adsorption configuration at 1/2 ML and subsequent decrease in coverage results in dissociative water configurations. We explored dimer configurations of molecular H2O and HO–H2O complexes at 1/4 ML coverage but these configurations are less stable than the isolated dissociated state. The energy barrier for dissociation of H2O on the TiO2 termination at 1/8 ML coverage is found to be 0.08 eV, which suggests that the dissociated state is both favoured energetically and kinetically at low coverages and temperatures. These low coverage results from our DFT study conflict with existing experimental studies and we present scenarios that can be explored both experimentally and theoretically to resolve this discrepancy.
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