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Understanding Hydrogenation Chemistry at MgB2Reactive Edges fromAb InitioMolecular Dynamics

化学物理 离子键合 离解(化学) 化学反应 化学键 氢气储存 材料科学 共价键 从头算 分子动力学 计算化学 纳米技术 化学 物理化学 离子 有机化学
作者
Keith G. Ray,Leonard E. Klebanoff,Vitalie Stavila,ShinYoung Kang,Liwen F. Wan,Sichi Li,Tae Wook Heo,Mark D. Allendorf,Jonathan R. I. Lee,Alexander A. Baker,Brandon C. Wood
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (18): 20430-20442 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.1c23524
摘要

Solid-state hydrogen storage materials often operate via transient, multistep chemical reactions at complex interfaces that are difficult to capture. Here, we use direct ab initio molecular dynamics simulations at accelerated temperatures and hydrogen pressures to probe the hydrogenation chemistry of the candidate material MgB2 without a priori assumption of reaction pathways. Focusing on highly reactive (101̅0) edge planes where initial hydrogen attack is likely to occur, we track mechanistic steps toward the formation of hydrogen-saturated BH4– units and key chemical intermediates, involving H2 dissociation, generation of functionalities and molecular complexes containing BH2 and BH3 motifs, and B–B bond breaking. The genesis of higher-order boron clustering is also observed. Different charge states and chemical environments at the B-rich and Mg-rich edge planes are found to produce different chemical pathways and preferred speciation, with implications for overall hydrogenation kinetics. The reaction processes rely on B–H bond polarization and fluctuations between ionic and covalent character, which are critically enabled by the presence of Mg2+ cations in the nearby interphase region. Our results provide guidance for devising kinetic improvement strategies for MgB2-based hydrogen storage materials, while also providing a template for exploring chemical pathways in other solid-state energy storage reactions.
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