Metal dissolution from first principles: Potential-dependent kinetics and charge transfer

溶解 化学物理 动力学 化学 密度泛函理论 马库斯理论 电极电位 电化学 电子转移 热力学 电极 材料科学 计算化学 物理化学 反应速率常数 物理 量子力学
作者
Shubham Sharma,Alexandra Zagalskaya,Stephen E. Weitzner,Lisa Eggart,Seongkoo Cho,Tim Hsu,Xiao Chen,Joel B. Varley,Vitaly Alexandrov,Christine A. Orme,Tuan Anh Pham,Brandon C. Wood
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier]
卷期号:437: 141443-141443 被引量:12
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2022.141443
摘要

Metal dissolution and its inverse process are integral to both corrosion and electrodeposition; however, many mechanistic details regarding the dissolution process are challenging to decipher. These include how ion dissolution kinetics and charge transfer are influenced by the competition between metal and solvent interactions under an electrode potential. In this work, we introduce a computational framework based on density functional theory with grand-canonical treatment of electrons to directly predict the potential energy landscape for metal dissolution at a constant potential. Using aluminum as an example, we demonstrate that dissolution kinetics is governed by competing kinetics between two physical processes associated with metal–metal bond breaking and ion-migration within the electrical double layer, respectively. We identify a kinetic transition between regimes dominated by each of these processes and show that this transition depends on the operating electrode potential, among other key factors. It is further found that kinetics and thermodynamics of these processes can be described with a simple, one-parameter Marcus-theory-type model. Beyond offering new understanding of charge transfer during dissolution, our simulation protocol provides a recipe for directly predicting other important quantities in electrochemical reactions from first principles that are difficult to measure, such as the symmetry factor.
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