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Establishment of the Potential of Zero Charge of Metals in Aqueous Solutions: Different Faces of Water Revealed by Ab Initio Molecular Dynamics Simulations

溶剂化 化学物理 化学 金属 零电荷点 分子 氢键 分子动力学 从头算 密度泛函理论 水溶液 电荷密度 偶极子 计算化学 材料科学 物理化学 物理 有机化学 量子力学
作者
Peng Li,Jun Huang,Youcheng Hu,Shengli Chen
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (7): 3972-3979 被引量:64
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.0c11089
摘要

Metal–water interactions are investigated using ab initio molecular dynamics simulations performed on water-interfaced Pt(111) and Au(111) as model systems, aiming at understanding the mechanism of interface water molecules to regulate the potential of zero charge (PZC) of metal electrodes in aqueous solutions. Several metal–water interactions are distinguished, and their effects on the metal work function (WF) are quantified through carefully correlating the interfacial atomic and electronic structures. The first layer of interface water molecules possesses an O-down configuration and significantly lowers the metal WF by increasing the near-surface electron density through Pauli repulsion, coordination bonding, and subordinate dipole orientation. In contrast, the H-down-configured water molecules in the second solvation layer increase the metal WF due to the metal–hydrogen bonding interaction and dipole orientation. Involved in the second layer are also water molecules that have no preferred orientation and merely act as hydrogen bond linkers. They negligibly affect the electronic structure of metal electrodes. Introducing chemisorbed hydrogen (Had) with varying coverages modulates the metal–water interactions, resulting in a nonmonotonic variation of the metal WF. The atomic insights obtained not only help to enunciate the long-standing puzzle of a significant decrease in the PZC of metal electrodes by solvation but also add to our understanding of the behaviors of metal–solution interfaces, for examples, the potential- and adsorbate-dependent interfacial capacitance.
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