Pt(100), Pt(111), Pt/Ni(100), 및 Pt/Ni(111) 표면에서의 산소 환원 반응에 대한 반응 에너지 비교: 첫 번째-principles 연구

이번 연구에서는 첫 번째-principles 밀도 범함수 이론 방법을 사용하여 Pt(100) 및 Pt/Ni(100) 표면에서의 산소 환원 반응(ORR)의 반응 에너지(표면 흡착 에너지, 반응 열, 활성화 에너지 포함)를 계산했습니다. 우리의 계산 결과는 Pt 및 Pt/Ni(100) 표면에서 ORR이 직접 산소 해리 메커니즘을 따라 진행되며, 속도 결정 단계는 OH 수소화 반응이라는 것을 시사합니다. 또한 Pt(100), Pt(111), Pt/Ni(100), 및 Pt/Ni(111) 표면에서의 ORR의 계산된 반응 에너지를 비교했습니다. 우리의 결과는 서브 표면의 Ni 원자가 외부 Pt 단층에 결합하는 다양한 ORR 화학 중간체의 강도를 약화시키고, 반면 Pt/Ni 표면에서 모든 O–O 결합 해리 반응의 반응 열을 증가시키고 ORR의 모든 수소화 반응의 반응 열을 감소시킨다는 것을 나타냈습니다. 하지만, 우리는 이러한 리간드 효과의 범위가 (111) 표면에서 (100) 표면보다 더 뚜렷하다는 것을 발견했습니다. 또한 ORR의 속도 결정 단계에 대한 활성화 에너지를 Pt(100)에서 0.80 eV, Pt/Ni(100)에서 0.79 eV, Pt(111)에서 0.79 eV, 그리고 Pt/Ni(111)에서 0.15 eV로 결정했습니다. 결과적으로, 우리의 연구는 ORR의 촉매 활성이 (111) 표면에서 (100) 표면보다 높아야 하며 Pt/Ni(111)에서 나머지 3개 표면보다 훨씬 높아야 한다고 예측했습니다. 이러한 이론적 예측은 이전 실험적 측정에서 관찰된 ORR 촉매 활성이 나타나는 추세와 잘 일치합니다.