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Water‐Assisted Chemical Route Towards the Oxygen Evolution Reaction at the Hydrated (110) Ruthenium Oxide Surface: Heterogeneous Catalysis via DFT‐MD and Metadynamics Simulations

元动力学 催化作用 氧化钌 析氧 氧化物 氧气 化学 多相催化 光化学 材料科学 化学物理 纳米技术 分子动力学 物理化学 计算化学 有机化学 电化学 电极
作者
Fabrizio Creazzo,Sandra Luber
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:27 (68): 17024-17037 被引量:22
标识
DOI:10.1002/chem.202102356
摘要

Notwithstanding that RuO2 is a promising catalyst for the oxygen evolution reaction (OER), a plethora of fundamental details on its catalytic properties are still elusive, severely limiting its large-scale deployment. It is also established experimentally that corrosion and wettability of metal oxides can, in fact, enhance the catalytic activity for OER owing to the formation of a hydrated surface layer. However, the mechanistic interplay between surface wettability, interfacial water dynamics and OER across RuO2 , and what degree these processes are correlated are still debated. Herein, spin-polarized Density Functional Theory Molecular Dynamics (DFT-MD) simulations, coupled with advanced enhanced sampling methods in the well-tempered metadynamics framework, are applied to gain a global understanding of RuO2 aqueous interface (explicit water solvent) in catalyzing the OER, and hence possibly help in the design of novel catalysts in the context of photochemical water oxidation. The present study quantitatively assesses the free-energy barriers behind the OER at the (110)-RuO2 catalyst surface revealing plausible pathways composing the reaction network of the O2 evolution. In particular, OER is investigated at room temperature when such a surface is exposed to both gas-phase and liquid-phase water. Albeit a unique efficient pathway has been identified in the gas-phase OER, a surprisingly lowest-free-energy-requiring reaction route is possible when (110)-RuO2 is in contact with explicit liquid water. By estimating the free-energy surfaces associated to these processes, we reveal a noticeable water-assisted OER mechanism which involves a crucial proton-transfer-step assisted by the local water environment. These findings pave the way toward the systematic usage of DFT-MD coupled with metadynamics techniques for the fine assessment of the activity of catalysts, considering finite-temperature and explicit-solvent effects.
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