水素燃料電池の高コストの原因となる電気触媒反応のメカニズムと動力学

遅い酸素還元反応（ORR）は、輸送における水素燃料電池の経済的使用にとって大きな障害です。本研究では、水を明示的に含む量子力学（QM）に基づく反応メタダイナミクス（RμD）シミュレーションに基づいて、Pt(111)の完全なORR反応メカニズムを報告し、298 Kでの自由エネルギー反応障壁を取得します。4 e-の水生成の最低エネルギー経路は以下の通りです：第一に、*OOHの形成；第二に、*OOHのH2OとO*への還元；第三に、表面水を使用したO*の加水分解によって二つの*OHを生成し、最後に*OHの水への水和です。水生成は、0.87ボルト以上の正常な運転範囲での反応速度決定ステップ（RDS）です。溶媒からのプロトンを含むEley-Rideal（ER）メカニズムを考慮すると、298 Kでの水生成の自由エネルギー反応障壁は、外部電圧がU = 0.87 V未満の場合で0.25 eV、U = 1.23 Vの場合で0.41 eVと予測され、実験値であるそれぞれ0.22 eVと0.44 eVと良く一致します。メカニズムが完全に理解されたことで、この検証済みの方法論を使用して、合金化や表面改質による変化を調べ、水の生成の障壁を減らすことで反応速度を増加させることができます。