Multiskalenmodellierung elektrochemischer Grenzflächen: Neue Methoden und Anwendungen für RuO2 Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Computersimulationen von elektrochemischen Prozessen an Elektrokatalysatoroberflächen sind entscheidend für das Verständnis der Grenzen moderner Energieumwandlungstechnologien. Bereits die Struktur der elektrochemischen Grenzfläche stellt aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen zwischen Oberfläche und Lösungsmittel, die zur Bildung einer elektrochemischen Doppelschicht führen, ein komplexes Problem dar. Deren komplizierte Struktur ist dynamisch und erfordert realistische Modellsysteme, die über die aktuellen Möglichkeiten von ab initio Methoden auf Basis von Elektronenstrukturtheorie hinausgehen. In diesem Projekt haben wir daher neue Simulationsprotokolle entwickelt die Simulationsmethoden auf mehreren Skalen kombinieren, um rechnerisch greifbare und dennoch vorhersagbare Modelle von elektrochemischen Katalysatoroberflächen zu erhalten. Wir haben uns speziell auf die weniger untersuchten Oberflächen von Übergangsmetalloxiden konzentriert, wobei wir Rutil IrO2 als Prototyp und prominentes Material für die Wasserelektrolyse verwendet haben. In einem ersten Schritt untersuchten wir mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie die Stabilität von oxidierten Oberflächenorientierungen in idealisierten Modellsystemen und entdeckten, dass IrO2(111) unter Reaktionsbedingungen stabiler wird als IrO2(110). Diese Änderung der vorherrschenden Oberflächenorientierung würde theoretisch eine Rekonstruktion der Katalysatorpartikelform auslösen, die sich auf die Stabilität und Aktivität des Katalysators auswirken könnte. In einem zweiten Schritt sind wir von den idealisierten Modellsystemen abgewichen und haben ein interatomares Potenzial mit maschinellem Lernen trainiert, um die Grenzfläche zwischen IrO2(110) und Wasser zu beschreiben. Dieses reaktive Potenzial ist in der Lage, große Oberflächenmodelle in Kontakt mit Wasser in den verschiedenen Oberflächenoxidationszuständen in unserer ersten Studie genau zu beschreiben und deckt daher den relevanten Phasenraum ab. Mit diesem realistischen Modell konzentrierten wir uns in erster Linie auf die Oberflächen-Solvatation. Wir fanden heraus, dass die Solvatisierung durch die Wasseradsorption an den blanken Metallstellen und das daraus resultierende Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk dominiert wird, während die dynamische IrO2(110)-Wasser-Wechselwirkung nur eine marginale Rolle spielt. Dieses Ergebnis ist überraschend, da eine starke Wasser-Oxid-Wechselwirkung erwartet wurde. Wir kamen zu dem Schluss, dass routinemäßig verwendete idealisierte Modellsysteme, die Wasseradsorption einbeziehen können, aber die explizite Wasserwechselwirkung vernachlässigen, die dominierenden Solvationseffekte an dieser Oberfläche bereits erfassen. Unsere Ergebnisse ermöglichen somit einen tiefen Einblick in die elektrochemische Grenzfläche von IrO2 und rechtfertigen die häufig verwendeten vereinfachten Modelle von elektrochemischen Oxid/Wasser-Grenzflächen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Ab Initio Thermodynamics Insight into the Structural Evolution of Working IrO2 Catalysts in Proton-Exchange Membrane Electrolyzers. ACS Catalysis, 9(6), 4944-4950.
Opalka, Daniel; Scheurer, Christoph & Reuter, Karsten
