Solvation effects on DFT predictions of ORR activity on metal surfaces

溶剂化 化学 密度泛函理论 隐溶剂化 极化连续介质模型 极化率 计算化学 化学物理 双层 氢键 分子 物理化学 有机化学 生物化学
作者
Qiang Zhang,Aravind Asthagiri
出处
期刊:Catalysis Today [Elsevier BV]
卷期号:323: 35-43 被引量:159
标识
DOI:10.1016/j.cattod.2018.07.036
摘要

We present a comparison study between the implicit and explicit solvation approach for density functional theory (DFT) predictions of the oxygen reduction reaction (ORR) activity on Pt (111) and other metal surfaces under acidic conditions. DFT calculations with a self-consistent polarizable continuum model implement in VASPsol results in more accurate predictions of onset potentials for Pt(111) than vacuum DFT calculations due to the extra stabilization of the surface intermediates (OOH*, O*, OH*). Implicit solvation also preserves the scaling relationship among ORR intermediates and volcano-shape activity relationships that correlate ORR onset potential or activity to the free energy absorption of O* or OH*. Moreover, VASPsol predicts variation in the solvation energies across different surfaces, suggesting the use of universal solvation corrections may not be valid. However, VASPsol exhibits significant weaker OH* solvation energies (by ∼ 0.4 eV) on Pt (111) compared to literature values using an explicit water bilayer and therefore underestimates the onset potential on Pt (111). We attribute this lack of OH* solvation energies by VASPsol to its inability to address hydrogen bonds and the absence of intermediate stabilization of the bilayer structure. Strategies to mitigate this problem, including tuning VASPsol parameters and a hybrid approach incorporating one to two water molecules, are also examined but not found to alleviate the underestimation of the solvation of OH*.
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