Theoretical Modeling of Electrochemical Proton-Coupled Electron Transfer

化学 质子耦合电子转移 电子转移 化学物理 质子 动力学同位素效应 密度泛函理论 电化学 分子动力学 计算化学 原子物理学 物理化学 电极 量子力学 物理
作者
Robert E. Warburton,Alexander V. Soudackov,Sharon Hammes‐Schiffer
出处
期刊:Chemical Reviews [American Chemical Society]
卷期号:122 (12): 10599-10650 被引量:166
标识
DOI:10.1021/acs.chemrev.1c00929
摘要

Proton-coupled electron transfer (PCET) plays an essential role in a wide range of electrocatalytic processes. A vast array of theoretical and computational methods have been developed to study electrochemical PCET. These methods can be used to calculate redox potentials and pKa values for molecular electrocatalysts, proton-coupled redox potentials and bond dissociation free energies for PCET at metal and semiconductor interfaces, and reorganization energies associated with electrochemical PCET. Periodic density functional theory can also be used to compute PCET activation energies and perform molecular dynamics simulations of electrochemical interfaces. Various approaches for maintaining a constant electrode potential in electronic structure calculations and modeling complex interactions in the electric double layer (EDL) have been developed. Theoretical formulations for both homogeneous and heterogeneous electrochemical PCET spanning the adiabatic, nonadiabatic, and solvent-controlled regimes have been developed and provide analytical expressions for the rate constants and current densities as functions of applied potential. The quantum mechanical treatment of the proton and inclusion of excited vibronic states have been shown to be critical for describing experimental data, such as Tafel slopes and potential-dependent kinetic isotope effects. The calculated rate constants can be used as input to microkinetic models and voltammogram simulations to elucidate complex electrocatalytic processes.
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