Theoretische nichtlineare spektroskopische und thermodynamische Untersuchung der Wasserdissoziation mit Hilfe eines Einzelatomkatalysators

• Antragsteller: Deepak Ojha, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen ; Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Theoretische Chemie: Elektronenstruktur, Dynamik, Simulation
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 550547050

Obwohl Ein-Atom-Katalysatoren (SACs), die auf stickstoffreichen Kohlenstoffmaterialien stabilisiert sind, ausgiebig für die katalytische Wasserspaltung verwendet wurden, ist ein gründliches Verständnis des gesamten Reaktionsmechanismus und des thermodynamischen Profils der Reaktion noch nicht erreicht. Dies ist eine besondere Herausforderung, wenn die verschiedenen Phasen mit mehreren Freiheitsgraden, die an der Gesamtreaktion beteiligt sind, im Rahmen der ab-initio-Molekulardynamik (AIMD) behandelt werden. In diesem dreistufigen Projekt schlagen wir vor, drei direkt anwendbare Berechnungsmethoden zu implementieren, um das Verständnis der SAC-getriebenen Wasserdissoziation zu verbessern. In der ersten Phase schlagen wir vor, einen auf Zeitkorrelationsfunktionen basierenden Formalismus zu entwickeln und zu implementieren, um eine Doppelresonanz-Summen-Frequenz-Generierung (DR-SFG) zu erhalten, die die elektronisch-vibratorische Kopplung zwischen den Freiheitsgraden von SAC/Substrat/Wasser und ihre Rolle bei der Wasserdissoziation entschlüsseln kann. Wir werden die “linear response time-dependent density functional theory” (LR-TDDFT) und AIMD einsetzen, um die zugänglichen elektronischen Zustände und ihre entsprechenden Übergangsdipolmomente, Polarisierbarkeit und Anregungsenergie zu bestimmen. In der zweiten Phase werden wir die Short-Window-Wavelet-Transformationsmethode verwenden, um zeitabhängige intermolekulare (Terahertz-)Frequenzen der Wasser-Solvathülle um die SAC zu erhalten. Dies ist besonders wichtig, da lokale Lösungsmittelmoleküle (Wasser) die Reaktionsbarriere senken und die Zwischenstufen oder Übergangszustände stabilisieren können. In der letzten Phase werden wir die Formulierung der 2-Phasen-Thermodynamik (2PT) für die Wasserdissoziation an den Oberflächen erweitern. Dadurch können wir nicht nur die freie Energie für die Wasserdissoziation an der Oberfläche schätzen, sondern auch den Beitrag von Enthalpie und Entropie zur Reaktionsbarriere entschlüsseln. Schließlich werden wir die Wasserdissoziation unter Verwendung von SACs auf Basis von Übergangsmetallen (Pt, Pd und Fe) und SACs auf Basis von Hauptgruppen (wie Schwefel) auf stickstoffreichen Kohlenstoffmaterialien (g-C3N4 und C2N) untersuchen. Die Rolle von Defekten im Substrat und des externen statischen elektrischen Feldes wird ebenfalls erforscht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen