전기화학적 산소 환원에 의한 과산화수소의 선택적 생산의 기원

산소 환원 반응 (ORR)은 가장 중요한 전기화학적 반응 중 하나입니다. 일반적인 반응 중간체 *-O-OH에서 시작하여, ORR은 두 경로로 나뉘며, 하나는 *-O 결합을 끊어 과산화수소 (H2O2)를 생성하고, 다른 하나는 O-OH 결합을 끊어 물을 형성합니다. 그러나 많은 촉매가 O-OH 결합의 강한 열역학적 선호에도 불구하고 과산화수소에 대해 높은 선택성을 보이는 이유는 의문입니다. 더욱이, 선택성은 잠재력과 pH에 따라 달라지며, 이는 여전히 이해되지 않고 있습니다. 여기서 우리는 기존 모델로는 접근할 수 없었던 고체-물 경계에서의 전기화학적 반응 동역학을 효율적으로 계산하기 위한 고급 첫 원리 모델을 개발합니다. 이 모델을 사용하여 H2O2 생산을 위한 대표적인 촉매를 연구한 결과, O-OH 결합을 끊는 것이 *-O를 끊는 것보다 더 높은 에너지 장벽을 가질 수 있음을 발견했습니다. 중요하게도, 선택성이 잠재력과 pH에 따라 달라지는 것은 *-O-OH의 이전/이후 O에 대한 양성자 친화성에 뿌리를 두고 있음을 밝혀냈습니다. 단일 코발트 원자 촉매의 경우, 잠재력을 낮추면 이전 O에 대한 양성자 흡착이 촉진되어 H2O2 선택성이 증가합니다. 반대로, 탄소 촉매의 경우 양성자가 이후 O를 선호하여 산성 조건에서 낮은 H2O2 선택성을 초래합니다. 이러한 발견은 실험을 설명하고 선택성의 동역학적 기원을 강조합니다. 우리의 연구는 양성자 친화성을 새로운 요소로 밝혀내어 ORR에 대한 이해를 개선하고 이질적인 전기화학의 원자 수준 동역학을 효과적으로 시뮬레이션하는 새로운 모델을 제공합니다.