Характеристика электронной структуры электрокатализатора выделения кислорода — оксигидроксида NiF...

«Характеристика электронной структуры активных центров электрокатализатора выделения кислорода — оксигидроксида NiFe» — Захари К. Голдсмит, Йельский университет Оксигидроксид NiFe является высокоактивным электрокатализатором для реакции выделения кислорода, важнейшего процесса для углеродно-нейтрального хранения энергии. Ранее квантово-химические расчеты и спектроэлектрохимия хорошо характеризовали стационарную электронную структуру материала при рабочих потенциалах. Однако недавние эксперименты доказали особенно высокую активность примесей Fe на краях материала и высокую валентность таких центров Fe. В данном исследовании применяется строгая характеристика электронной структуры, ранее выполненная для периодической внутренней части тонкопленочного материала, к модельной системе, включающей каталитически активные окончания пленки. Расчеты методом теории функционала плотности (DFT) с использованием гибридного функционала были выполнены для суперъячеек нанопроволок Ni и NiFe, в которых периодичность нарушена в одном направлении в плоскости, так что системы содержат различные внутренние и внешние металлические центры. Различные степени протонирования и гидроксилирования краевых участков Ni и Fe были исследованы в качестве индикатора хода реакции выделения кислорода. Степени окисления металлов определялись с использованием максимально локализованных функций Ванье, а каталитическая активность заданных участков определялась качественно по проекционной плотности состояний вблизи энергии Ферми. Эта работа стала возможной благодаря Blue Waters, учитывая значительные вычислительные затраты, но при этом высокую степень распараллеливания гибридных функциональных DFT-расчетов для больших асимметричных систем с нарушенной периодичностью.