Alkali metal ion effects to hydrogen evolution on gold surface

Abstract

Vedyn kehitysreaktio on erityisen tärkeä modernissa elektrokatalyysissä. Sillä on paljon tärkeitä sovelluskohteita, ja sitä onkin tutkittu paljon viime vuosien aikana. Vaikka kyseessä onkin tärkeä reaktio, ei sen atomitason käyttäytymistä ole pystytty täysin ymmärtämään. Yksi viimeaikaisista tutkimuskohteita on ollut alkalimetalli-ionien vaikutukset vedyn kehitykseen kulta- ja platinaelektrodeilla. Kokeelliset havainnot ovat osoittaneet, että eri alkalimetalli-ioneilla on erilainen vaikutus vedyn kehitysreaktion aktiivisuuteen, mutta tätä ei ole täysin selitetty. Laskennalliset menetelmät kuten tiheysfunktionaaliteoria ja tehokkaat tietokoneet tarjoavat tehokkaan mikroskoopin reaktion ymmärtämiseksi. Tässä Pro Gradu -tutkielmassa hyödynnetään suurkanonista tiheysfunktionaaliteoriaa alkalimetalli-ionien vaikutusten ymmärtämiseksi vedyn kehitykseen kultaelektrodilla. Osoittautuu, että kationit todella vaikuttavat vedynkehityksen reaktioenergiaan ja aktivaatioenergiaan. Kuitenkin tutkielmassa käytetty malli ei täysin kyennyt selittämään kokeellisia havaintoja, joten mallia on parannettava esimerkiksi ottamalla huomioon dynamiikka, liuottimen uudelleenjärjestäytyminen tai ei-adiabaattiset efektit, joita malli ei sisältänyt.

The hydrogen evolution is an extremely important reaction in modern electrocatalysis. It has many practical applications, such as hydrogen generation, and has been extensively investigated in the past several years. However, the atomic-scale details remain unclear for this fundamental reaction. One of the recent topics in this field is the effect of alkali metal cations on hydrogen evolution reaction on the gold and platinum electrode. Experi mentally, it has been shown that, in the presence of different alkali metal ions, the activity of hydrogen evolution reaction can change notably, but the reason why this occurs is not well understood. Computational tools, such as density functional theory and powerful computers, have provided a microscope for building this kind of understanding. This thesis uses the grand canonical ensemble density functional theory as a computational tool to understand the effects of the alkali metal cation on hydrogen evolution on a gold electrode. It was shown that the cations indeed affect to thermodynamics and kinetics of the hydrogen evolution. However, in comparison to experiments, it was shown that the model used in the thesis could not explain the experiments completely, so the model needs to be more, for example, by adding dynamics, reorganization of solvent or nonadiabatic effects that were not present in the model.