Modeling the aqueous interface of amorphous TiO2 using deep potential molecular dynamics

分子动力学 无定形固体 水溶液 化学物理 材料科学 桥接(联网) 化学 纳米技术 计算化学 物理化学 结晶学 计算机科学 计算机网络
作者
Zhutian Ding,Annabella Selloni
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:159 (2) 被引量:19
标识
DOI:10.1063/5.0157188
摘要

Amorphous titanium dioxide (a-TiO2) is widely used as a coating material in applications such as electrochemistry and self-cleaning surfaces where its interface with water has a central role. However, little is known about the structures of the a-TiO2 surface and aqueous interface, particularly at the microscopic level. In this work, we construct a model of the a-TiO2 surface via a cut-melt-and-quench procedure based on molecular dynamics simulations with deep neural network potentials (DPs) trained on density functional theory data. After interfacing the a-TiO2 surface with water, we investigate the structure and dynamics of the resulting system using a combination of DP-based molecular dynamics (DPMD) and ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations. Both AIMD and DPMD simulations reveal that the distribution of water on the a-TiO2 surface lacks distinct layers normally found at the aqueous interface of crystalline TiO2, leading to an ∼10 times faster diffusion of water at the interface. Bridging hydroxyls (Ti2-ObH) resulting from water dissociation decay several times more slowly than terminal hydroxyls (Ti-OwH) due to fast Ti-OwH2 → Ti-OwH proton exchange events. These results provide a basis for a detailed understanding of the properties of a-TiO2 in electrochemical environments. Moreover, the procedure of generating the a-TiO2-interface employed here is generally applicable to studying the aqueous interfaces of amorphous metal oxides.
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