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Thèse Année : 2020

Oxygen evolution reaction at cobalt oxides/water interfaces : heterogeneous electrocatalysis by DFT-MD simulations & metadynamics

Réaction d'évolution de l'oxygène aux interfaces d'oxides de cobalt/eau liquide : électrocatalyse hétérogène par simulations de DFT-MD et de metadynamique

Résumé

In this thesis, DFT-MD simulations, coupled with state-of-the-art metadynamics techniques, are applied to gain a global understanding of Co3O4 and CoO(OH) cobalt oxide aqueous interfaces in catalyzing the oxygen evolution reaction (OER), and hence possibly help in the design of novel catalysts basedon non-precious materials, a current key field of research in science and technology, especially of importance for the hydrogen economy, for green technology in a period of time with an ever more growing demand in green-energy. In this thesis, we step-by-step reveal the OER mechanisms on spinel Co3O4 andCoO(OH) cobalt aqueous electrocatalysts carefully and rationally via novelmetadynamics techniques.Up to now, the literature has never taken into account the atomistic modifications on the electrode structure as well as on the interfacial water into their modeling of OER processes. Such lack of knowledge clearly represents a significant hurdle toward the development of improved catalysts, which couldbe overcome by employing methods able to track the catalytic features of theOER at the atomistic scale. For the first time, we show how important itis to take into consideration the presence of the liquid water environment inthe structural characterization of catalyst surfaces, i.e. for (110)-Co3O4 and(0001)-CoO(OH) in this work. A detailed characterization of chemical andphysical properties of the aqueous interfaces is provided (i.e. structure, dynamics, spectroscopy, electric field), for the (110)-Co3O4 and (0001)-CoO(OH)aqueous surfaces.A study of the OER is presented not only by looking at the catalysts, butalso by addressing the role of the water environment in the catalytic process,not done before in literature. Accordingly, both gas-phase and liquid-phaseOER are here investigated at the (110)-Co3O4 and (0001)-CoO(OH) adoptinga novel enhanced sampling metadynamics approach able to address a widerange of chemical reaction mechanisms and to fully include the role of thesolvent degrees of freedom, allowing to unveil reaction networks of remarkablecomplexity. The energetics, kinetics and thermodynamics behind the OER aretherefore found at these cobalt oxide surfaces.
Dans cette thèse, des simulations DFT-MD couplées à des techniques inno-vantes de métadynamique, sont appliquées pour acquérir une compréhensionglobale des interfaces aqueuses d'oxyde de cobalt Co3O4 et CoO(OH) dansla catalyse de la réaction d'évolution de l'oxygène (OER), et ainsi éventuellement aider à la conception de nouveaux catalyseurs basés sur des matériaux non précieux, un domaine clé de la recherche scientifique et technologique, particulièrement important pour l'économie de l'hydrogène, pour les technologies vertes dans une période de temps avec une demande toujours plus croissanteen énergie verte. Dans cette thèse, nous révélons étape par étape les mécanismes de l'OER sur les électrocatalyseurs aqueux d'oxyde de cobalt Co3O4 etCoO(OH) via de nouvelles techniques de métadynamique.Jusqu'à présent, la littérature n'a jamais pris en compte les modificationsau niveau atomique de la structure des électrodes ainsi que de l'eau interfaciale dans leur modélisation des processus OER. Ce manque de connaissances représente clairement un obstacle important au développement de catalyseurs améliorés, qui pourrait être surmonté en utilisant des méthodes capables de suivre les caractéristiques catalytiques de l'OER à l'échelle atomique. Pour la première fois, nous montrons combien il est important de prendre en considération la présence de l'environnement aqueux dans la caractérisation structurale des surfaces du catalyseur, c'est-à-dire (110)-Co3O4 et (0001)-CoO(OH) dans ce travail. Une caractérisation détaillée des propriétés chimiques et physiques des interfaces aqueuses est fournie (la structure, la dynamique, la spectroscopie, le champ électrique), pour les surfaces (110)-Co3O4 et (0001)-CoO(OH) en contact avec l'eau liquide.Une étude détaillée de l'OER est présentée non seulement du point de vue descatalyseurs, mais aussi en abordant le rôle de l'environnement de l'eau dans leprocessus catalytique, ce qui n'a pas été fait auparavant dans la littérature. En conséquence, l'OER en phase gazeuse et en phase liquide sont étudiés ici auxinterfaces aqueuses (110)-Co3O4 et (0001)-CoO(OH) en adoptant une nouvelleapproche de métadynamique d'échantillonnage amélioré, capable d'identifieret caractériser les mécanismes de réaction chimique et d'intégrer pleinement lerôle des degrés de liberté du solvant, permettant ainsi de dévoiler des réactivités chimiques d'une complexité remarquable. L'énergétique, la cinétique et la thermodynamique derrière l'OER sont donc trouvées à ces surfaces d'oxyde de cobalt à l'interface avec l'eau.

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  • HAL Id : tel-02996678 , version 1

Citer

Fabrizio Creazzo. Oxygen evolution reaction at cobalt oxides/water interfaces : heterogeneous electrocatalysis by DFT-MD simulations & metadynamics. Other. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASE012⟩. ⟨tel-02996678⟩
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