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Effects of interstitial water and alkali cations on the expansion, intercalation potential, and orbital coupling of nickel hexacyanoferrate from first principles

插层(化学) 普鲁士蓝 电化学 水溶液 化学 从头算 从头算量子化学方法 化学物理 无机化学 密度泛函理论 材料科学 计算化学 分子 电极 物理化学 有机化学
作者
Sizhe Liu,Kyle C. Smith
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:131 (10) 被引量:3
标识
DOI:10.1063/5.0080547
摘要

Prussian blue analogs (PBAs) are an important material class for aqueous electrochemical separations and energy storage owing to their ability to reversibly intercalate monovalent cations. However, incorporating interstitial H2O molecules in the ab initio study of PBAs is technically challenging, though essential to understanding the interactions between interstitial water, interstitial cations, and the framework lattice that affect intercalation potential and cation intercalation selectivity. Accordingly, we introduce and use a method that combines the efficiency of machine-learning models with the accuracy of ab initio calculations to elucidate mechanisms of (1) lattice expansion upon intercalation of cations of different sizes, (2) selectivity bias toward intercalating hydrophobic cations of large size, and (3) semiconductor–conductor transitions from anhydrous to hydrated lattices. We analyze the PBA nickel hexacyanoferrate [NiFe(CN)6] due to its structural stability and electrochemical activity in aqueous electrolytes. Here, grand potential analysis is used to determine the equilibrium degree of hydration for a given intercalated cation (Na+, K+, or Cs+) and NiFe(CN)6 oxidation state based on pressure-equilibrated structures determined with the aid of machine learning and simulated annealing. The results imply new directions for the rational design of future cation-intercalation electrode materials that optimize performance in various electrochemical applications, and they demonstrate the importance of choosing an appropriate calculation framework to predict the properties of PBA lattices accurately.
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