Elucidating the Impact of the Electrocatalyst Surface and Applied Potential on the Decarboxylation of the PFOA Radical on the Ti4O7 [112] Facet Using DFT Simulations

电催化剂 脱羧 面(心理学) 化学 材料科学 物理化学 电化学 催化作用 有机化学 心理学 社会心理学 电极 人格 五大性格特征
作者
Srishyam Raghavan,Brian P. Chaplin,Shafigh Mehraeen
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:129 (22): 10027-10037 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.5c00542
摘要

The electrochemical oxidation of perfluorooctanoic acid (PFOA) begins with charge transfer followed by decarboxylation, but the reaction mechanism on electrocatalyst surfaces remains poorly understood. This study employs density functional theory (DFT) simulations with an explicit solvation model to investigate the effects of the electrocatalyst surface composition and applied potential on PFOA radical decarboxylation on the Ti4O7 [112] facet. Results indicate that while decarboxylation is thermodynamically favorable in vacuum, it is hindered by water molecules surrounding the ionic group of PFOA. The process is highly dependent on the radical’s orientation, surface interactions, and electrode composition, with F-terminated surfaces being more effective than O-terminated ones. Although a vertical orientation enhances decarboxylation, surface binding suppresses the reaction even in this favorable configuration. Ab initio molecular dynamics simulations reveal that decarboxylation precedes defluorination under an applied potential of 3.08 V/SHE. Climbing image nudged elastic band calculations suggest that the applied potential reduces the activation barrier by 0.34 eV and lowers the reaction energy by 1.05 eV. These insights enhance our understanding of PFOA degradation mechanisms, aiding in the design of optimized electrode materials for per- and polyfluoroalkyl substance (PFAS) remediation via electrochemical oxidation.
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