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凝聚态物理 > 材料科学

arXiv:2412.15452 (cond-mat)
[提交于 2024年12月19日 ]

标题: 通过机器学习加速模拟的镍掺杂钛酸钡上的氧析出反应机制见解

标题: Mechanistic Insights into the Oxygen Evolution Reaction on Nickel-Doped Barium Titanate via Machine Learning-Accelerated Simulations

Authors:Kajjana Boonpalit, Nongnuch Artrith
摘要: 电催化水分解通过水电解产生氢气和氧气,是一种生成可再生、无碳替代燃料的有前景的方法。 然而,其广泛应用受到Pt阴极和IrO$_{x}$/RuO$_{x}$阳极催化剂高成本的阻碍。 在寻找经济有效的替代品的过程中,钛酸钡(BaTiO$_{3}$)已成为一个有吸引力的候选材料。 这种廉价、无毒的钙钛矿氧化物可以从丰富地球的前驱体中合成,并且在最近的研究中显示出催化析氧反应(OER)的潜力。 在这项工作中,我们使用元动力学(MetaD)模拟研究了原始和Ni掺杂的BaTiO$_{3}$在明确水界面处的OER活性。 为了实现高效且实用的OER MetaD,我们开发了一种基于人工神经网络(ANN)的机器学习原子间势,实现了具有接近DFT精度的大规模和长时间模拟。 我们的模拟结果表明, Ni掺杂增强了BaTiO$_{3}$对OER的催化活性,这与实验观察一致,并提供了对此增强的机制性见解。
摘要: Electrocatalytic water splitting, which produces hydrogen and oxygen through water electrolysis, is a promising method for generating renewable, carbon-free alternative fuels. However, its widespread adoption is hindered by the high costs of Pt cathodes and IrO$_{x}$/RuO$_{x}$ anode catalysts. In the search for cost-effective alternatives, barium titanate (BaTiO$_{3}$) has emerged as a compelling candidate. This inexpensive, non-toxic perovskite oxide can be synthesized from earth-abundant precursors and has shown potential for catalyzing the oxygen evolution reaction (OER) in recent studies. In this work, we explore the OER activity of pristine and Ni-doped BaTiO$_{3}$ at explicit water interfaces using metadynamics (MetaD) simulations. To enable efficient and practical MetaD for OER, we developed a machine learning interatomic potential based on artificial neural networks (ANN), achieving large-scale and long-time simulations with near-DFT accuracy. Our simulations reveal that Ni-doping enhances the catalytic activity of BaTiO$_{3}$ for OER, consistent with experimental observations, while providing mechanistic insights into this enhancement.
评论: 40页,5图,6补充材料图,5补充材料表
主题: 材料科学 (cond-mat.mtrl-sci) ; 无序系统与神经网络 (cond-mat.dis-nn)
引用方式: arXiv:2412.15452 [cond-mat.mtrl-sci]
  (或者 arXiv:2412.15452v1 [cond-mat.mtrl-sci] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2412.15452
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Nongnuch Artrith [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2024 年 12 月 19 日 23:14:27 UTC (12,240 KB)
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