Direct correlation of oxygen adsorption on platinum-electrolyte interfaces with the activity in the oxygen reduction reaction

氧气 吸附 电解质 铂金 密度泛函理论 电子转移 氧还原反应 无机化学 化学 分子动力学 化学物理 电极 电化学 计算化学 催化作用 物理化学 有机化学
作者
Shiyi Wang,Enbo Zhu,Yu Huang,Hendrik Heinz
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:7 (24) 被引量:63
标识
DOI:10.1126/sciadv.abb1435
摘要

The oxygen reduction reaction (ORR) on platinum catalysts is essential in fuel cells. Quantitative predictions of the relative ORR activity in experiments, in the range of 1 to 50 times, have remained challenging because of incomplete mechanistic understanding and lack of computational tools to account for the associated small differences in activation energies (<2.3 kilocalories per mole). Using highly accurate molecular dynamics (MD) simulation with the Interface force field (0.1 kilocalories per mole), we elucidated the mechanism of adsorption of molecular oxygen on regular and irregular platinum surfaces and nanostructures, followed by local density functional theory (DFT) calculations. The relative ORR activity is determined by oxygen access to platinum surfaces, which greatly depends on specific water adlayers, while electron transfer occurs at a similar slow rate. The MD methods facilitate quantitative predictions of relative ORR activities of any platinum nanostructures, are applicable to other catalysts, and enable effective MD/DFT approaches.
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