научная статья по теме ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕХОДА ДЛЯ ПРОСТЫХ ВНЕШНЕСФЕРНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ Химия

Текст научной статьи на тему «ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕХОДА ДЛЯ ПРОСТЫХ ВНЕШНЕСФЕРНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ»

ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2008, том 44, № 4, с. 429-441

УДК 541.135.5

ПРИБЛИЖЕННЫЙ МЕТОД РАСЧЕТА ВЕРОЯТНОСТЕЙ ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕХОДА ДЛЯ ПРОСТЫХ ВНЕШНЕСФЕРНЫХ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

© 2008 г. А. А. Кокканен, А. М. Кузнецов, И. Г. Медведев1

Институт физической химии и электрохимии им. АН. Фрумкина РАН, Москва, Россия

Поступила в редакцию 20.03.2007 г.

Рассчитана вероятность элементарного акта внешнесферной электрохимической реакции электронного переноса при произвольных значениях параметра электронного взаимодействия реагента с электродом для диабатических поверхностей свободной энергии параболической формы. Найдена зависимость эффективного трансмиссионного коэффициента от параметра Ландау-Зинера. Получены интерполяционные формулы, описывающие эту зависимость и позволяющие вычислять вероятность электронного переноса при использовании результатов квантово-химических расчетов электронного матричного элемента как функции расстояния.

Ключевые слова: внешнесферный электронный перенос, электронный трансмиссионный коэффициент, вероятность перехода, метод Монте-Карло, модель Андерсона.

1. ВВЕДЕНИЕ

Квантово-механическая теория простых внеш-несферных электрохимических реакций электронного переноса весьма детально разработана для двух предельных случаев взаимодействия реагентов с электродом: 1) для случая слабого взаимодействия, когда электронный перенос является неадиабатическим [1-3], и 2) для случая сильного взаимодействия, когда перенос имеет адиабатический характер [4-8]. Попытки построить теорию в области промежуточного взаимодействия пока не привели к успеху. Например, так называемое точное решение для электрохимических реакций электронного переноса [9, 10] основано на методе работ [11, 12], который является точным только в случае, когда в системе существует лишь один электрон [13]. Поэтому формулы работ [9, 10], справедливые только в неадиабатическом пределе, неприменимы в областях промежуточного и сильного взаимодействия. Так, константа скорости адиабатической реакции оказывается пропорциональной квадрату электронного матричного элемента, как и в случае неадиабатической реакции, в то время как в последовательной теории электронный трансмиссионный коэффициент для адиабатического перехода равен единице.

В последние годы возник интерес к единому приближенному описанию, охватывающему весь интервал значений величины взаимодействия [14]. Попытки такого рода обычно используют два вза-

1 Адрес автора для переписки: theor@elchem.ac.ru (И.Г. Медведев).

имоисключающих приближения. С одной стороны, для учета непрерывного электронного спектра в металлическом электроде проводится интегрирование франк-кондоновского фактора по энергиям электронных уровней с учетом их фер-миевского заполнения. С другой стороны, расчет электронного трансмиссионного коэффициента проводится с использованием формулы Ландау-Зинера для некоторых двух дискретных электронных уровней (один - для начального состояния в молекуле-реагенте, и один эффективный уровень для электрона в металле).

Однако еще в начале 70-х годов прошлого века одним из авторов настоящей работы был предложен приближенный, но последовательный аналитический метод, составляющий основу единого подхода к неадиабатическим и адиабатическим реакциям электронного переноса [4, 5]. Впоследствии этот подход был модифицирован с целью его использования в компьютерных расчетах [15]. Как в [4, 5], так и в [15] описание проводилось для эффективных одномерных поверхностей свободной энергии (ПСЭ) линейной формы.

Настоящая работа имеет двоякую цель: во-первых, подход, предложенный в [15], будет использован для расчетов в системе параболических ПСЭ, описывающих реальные процессы электронного переноса, во-вторых, будут получены простые интерполяционные формулы, позволяющие рассчитывать вероятности переходов во всем доступном интервале изменения величины взаимодействия реагентов с электродом. Так как метод [4, 5] не учитывает искажения ПСЭ, обусловлен-

ного сильным взаимодеиствием реагента с электродом, то, в-третьих, в статье будут представлены интерполяционные формулы с учетом области сильного взаимодеИствия.

Статья построена следующим образом. В разделе 2 приведены и обсуждаются аналитические формулы для неадиабатических и адиабатических реакции электронного переноса. В третьем разделе описаны модель и общиИ алгоритм расчета. Результаты вычислении обсуждаются в разделе 4, и раздел 5 заключает статью.

2. НЕАДИАБАТИЧЕСКИЙ И АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРЕДЕЛЫ

Формулу для катодного тока запишем в виде [3]:

(1)

I с = есОхас^ AzW,

где е - абсолютная величина заряда электрона, сох и ск - концентрация окисленноИ и восстановленной форм реагента в растворе, а - коэффициент переноса, Az - ширина слоя вблизи поверхности электрода, которыИ дает основноИ вклад в электрический ток, и W - вероятность электронного переноса. Ниже принимается, что степени свободы, описывающие флуктуации поляризации растворителя, являются классическими. Как и в большинстве работ, рассматривается бесспиновая модель, в котороИ игнорируется спиновая степень свободы электрона и не учитывается межэлектронное кулоновское отталкивание на ва-лентноИ орбитали реагента. Будем также пренебрегать членами порядка кТ/Ег, где к - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура и Ег - энергия реорганизации растворителя. Тогда, как показано в Приложении А, вероятность электронного переноса в неадиабатическом пределе для параболических поверхностеИ свобод-ноИ энергии имеет вид:

W = ^гсуоркТехр[-(Ег- еп)2/(4ЕгкТ)] х 2п

11

йх

(2)

+ ехр(2 х)

ехр [ х( 1 - е п/Ег - кТх/ Ег)],

У о =

I у| 2 = М7_п_

И V I д и'/дд - ди'./д д\ 2^®1кТЕ,

1/2

(3)

скорость движения вдоль координаты реакции, и'Е и и ' - диабатические поверхности свободноИ энергии в начальном и в конечном состояниях реакции, р - плотность электронных состояниИ электрода, которая принимается постоянноИ в окрестности уровня Ферми, и п - катодное перенапряжение. В пределе Ег —► ^ формула (2) переходит в выражение для константы скорости в случае ли-неИных поверхностеИ свободноИ энергии [15]:

W = ;Ю-п4пу()р кТ ехр [ - Ег/4 + еп/(2 кТ)]. (4) 2п

Отметим, что последниИ сомножитель в формуле (2), представляющиИ собоИ интеграл от функции, содержащеИ ехр(-епх/Ег), принимает большие значения в области отрицательных х при п > 0, еп ^ Ег. Поэтому, как хорошо известно, в случае электрохимических реакциИ электронного переноса отсутствует инвертированная область [16]. Именно, вероятность W является монотонно возрастаю-щеИ функциеИ перенапряжения п и при еп ^ Ег стремится к максимальному значению, равному

W = ю 8 пу0 ркТ (п Ег/кТ )1/2.

2 п

В случае адиабатическоИ реакции электронного переноса вероятность W имеет вид (см. Приложение А):

W = ^Т^Л'ехР (-Еа/кТ),

(5)

где в случае бесспиновоИ модели эффективная частота юеЯ- и энергия активации Еа определяются формулами:

1/2

Юе„ = [2Ег/(пА) -1 г /Ть,

Еа = [(1-и,- еп)и1- (1-еп)П]Ег +

А (1-2и,- еп)2 + (А/Ег)2

+ -ГП1п-2-2.

2 п (1-2 щ- е п)2 + (А/Е )2

(6)

(7)

где ю - эффективная частота осцилляторов, описывающих флуктуации поляризации растворителя,

Здесь ть - эффективное продольное время релаксации растворителя, их и п - средние числа электронов на валентноИ орбитали реагента в переходном и начальном состояниях, А = п| У|2р - ширина валентного уровня реагента, возникающая вследствие взаимодеИствия реагента с электронами электрода. Используя формулу (3), находим, что

V - электронныИ матричныИ элемент, связываю-щиИ одноэлектронные состояния металла и электронное состояние реагента (ниже принимается, что V не зависит от энергиИ электронных состояниИ металла), д - координата реакции, V = йд/йг -

А = 4 п2 То Р кТ |Ю ГА

1/2

(8)

Формула (7) обобщает формулу (18) работы [7]. Метод вычисления частоты юеЯ- в адиабатическом пределе (формула (6)) рассмотрен в работе [17].

х

3. МОДЕЛЬ И АЛГОРИТМ РАСЧЕТА ПРИ ПРОИЗВОЛЬНЫХ ВЕЛИЧИНАХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Для компьютерного вычисления вероятности электронного переноса для случая параболических поверхностей свободной энергии при произвольных величинах взаимодействия реагента с электродом используется метод случайных блужданий в системе пересекающихся термов начального и конечного состояний. Исходя из общих принципов электрохимической кинетики, следовало бы принять, что начальное и конечное состояния системы характеризуются многоэлектронными ПСЭ [5, 6]

и1т( д) = ив (д) + Ект,

N -1

(9)

иI (д) - и (д) + Ег~ + еа( д),

Яы = Х( УС+ Ск + У * С+ С а )'

(10)

+ +

где са, ск и са, ск - операторы рождения и уничтожения электрона на валентной орбитали реагента и в одноэлектронном состоянии с квазиимпульсом к в электроде, соответственно. Параметр взаимодействия V принимается не зависящим от квазиимпульса к и совпадает с электронным матричным элементом, который входит в формулу (3). Таким образом, после переноса электрона многоэлектронное состояние электрода в конечном со-стянии отличается от многоэлектронного состояния электрода в начальном состоянии только отсутствием электрона с энергией ек, а числа заполнения

всех других одноэлектронных состояний совпадают. В результате, если д* - точка пересечения

[ f

ПСЭ ит и и1 начального и конечного состояний, то имеют место равенства:

ек - еа(д*) - Ет - Е1

N -1

(11)

где и%(д) - свободная энергия растворителя, которая зависит от координаты реакции д, Ет - уровни энергии N - электронной системы электронов электрода в начальном состоянии, которые нуме-

^ -1

руются квантовым числом т, Е1 - уровни энергии N - 1 электронов электрода в конечном состоянии, которые нумеруются квантовым числом I. Эти уровни энергии отличаются друг от друга различным распределением невзаимодействующих электронов по квазичастичным одноэлек-тронным состояниям £к, где к - квазиимпульс электрона, Еа(д) - энергия валентной орбитали реагента. Принимается, что взаимодействие электрона, находящегося на валентной орбитали реагента, с флуктуациями поляризации растворителя имеет линейный характер, поэтому Еа(д) линейно зависит от координаты реакции: еа(д) = еа0 - gд. Здесь g -константа взаимодействия.

Примем также

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком