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Quantifying the Structure of Water and Hydrated Monovalent Ions by Density Functional Theory-Based Molecular Dynamics

离子 溶剂化壳 溶剂化 化学 范德瓦尔斯力 离子键合 从头算 化学物理 密度泛函理论 水溶液 分子动力学 水模型 电解质 计算化学 分子 物理化学 有机化学 电极
作者
Ke Zhou,Qian Chen,Yilun Liu
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry B [American Chemical Society]
卷期号:126 (49): 10471-10480 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acs.jpcb.2c05330
摘要

The accurate description of the structures of water and hydrated ions is important in electrochemical desalination, ion separation, and supercapacitors. In this work, we present an ab initio atomistic simulation-based study to explore the structure of water and hydrated monovalent ions (Li+, Na+, K+, Rb+, F–, and Cl–) at ambient conditions using generalized gradient approximation (GGA)-based methods with and without van der Waals correction (PBE, PBE + D3, and revPBE + D3) and recently developed strongly constrained and appropriately normed (SCAN) meta-GGA. We find that both revPBE + D3 and SCAN can well capture the structure of bulk water with +30 K artificial high temperature in contrast to overstructuring water using PBE and PBE + D3. However, being the same as PBE + D3, revPBE + D3 overestimates the structure of the hydration shell, especially for monovalent cations. Surprisingly, SCAN can well match the experimental results of hydrated monovalent ions. Detailed structure analyzes of entropy reveal that the hydration shell under the level of PBE + D3 and revPBE + D3 is more disordered and looser than SCAN. The successful prediction of the flexible SCAN functional could facilitate the exploration of complex ionic processes in the aqueous phase, the interactions of hydrated ions with surfaces, and solvation states in nanopores at an accurate, efficient, predictive, and ab initio level.
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