Nuclear Quantum Effects Largely Influence Molecular Dissociation and Proton Transfer in Liquid Water under an Electric Field

离解(化学) 电场 质子 量子 液态水 化学物理 化学 材料科学 物理 物理化学 核物理学 热力学 量子力学
作者
Giuseppe Cassone
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (21): 8983-8988 被引量:98
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.0c02581
摘要

Proton transfer in liquid water controls acid-base chemistry, crucial enzyme reactions, and the functioning of fuel cells. Externally applied static electric fields in water are capable of dissociating molecules and transferring protons across the H-bond network. However, the impact of nuclear quantum effects (NQEs) on these fundamental field-induced phenomena has not yet been reported. By comparing state-of-the-art ab initio molecular dynamics (AIMD) and path integral AIMD simulations of water under electric fields, I show that quantum delocalization of the proton lowers the molecular ionization threshold to approximately one-third. Moreover, also the water behavior as a protonic semiconductor is considerably modified by the inclusion of NQEs. In fact, when the quantum nature of the nuclei is taken into account, the proton conductivity is ∼50% larger. This work proves that NQEs sizably affect the protolysis phenomenon and proton transfer in room-temperature liquid water.
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