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Reaction Paths in Concurrence: The Electrochemical Hydrogen Reaction on GaAs(111)A- and GaAs(110)-Surfaces A Quantumchemical Approach

  • C. Engler and A. Hofmann
Published/Copyright: September 25, 2009
Zeitschrift für Physikalische Chemie
From the journal Volume 215 Issue 4

We have performed quantumchemical investigations towards a further explanation of the reaction mechanism of the hydrogen evolution reaction on semiconductor electrodes (continuation of Z. Phys. Chem. 210 (1999) 95). Details of the two-step-mechanism via Had-intermediates on both GaAs(111)A- and GaAs(110)-surfaces were studied on two different theoretical foundations. On the one hand we have made molecular cluster calculations on ab initio Hartree-Fock-, MP2- or DFT(B3LYP)-level. On the other hand we have performed calculation on periodically repeated supercells in the density functional formalism at special topics of our systems. Effects of solvation and of an applied electrode potential on the energy potential profiles along restricted reaction paths were investigated. On the (110)-surface a reaction sequence via Had-intermediates both on the gallium and on the arsenic sites should be possible. For the Volmer step we find a return of the preferred adsorption position from the arsenic site to the gallium site if the applied electrode potential runs from zero to negative values. Against it, the Heyrovsky step is always slightly preferred on the arsenic site, independent on the applied electrode potential. The hydrogen evolution on local structure motifs with 3-fold-coordinated, sp3-hybridised Ga-surface atoms and no concurrence of As-surface atoms, like on an ideal GaAs(111)A-surface structure, is slightly preferred in comparison to the (110)-surface and a shift of the onset potential towards a less negative value is expected. For all the treated reaction sequences we have calculated charge injection coefficients, which agree very well with the data from experiments and from macroscopic charge transfer dynamics simulations.

Wir stellen Ergebnisse aus quantenchemischen Berechnungen zur weiteren Aufklärung des Reaktionsmechanismus der Wasserstoffentwicklungsreaktion an Halbleiterelektroden vor (Fortsetzung zu Z. Phys. Chem. 210 (1999) 95). Details des 2-Schritt-Mechanismus über Had-Intermediate an der GaAs(111)A- und der GaAs(110)-Oberfläche wurden überwiegend auf der Grundlage von molekularen Clustermodellen (HF-, MP2- und DFT(B3LYP)-Niveau) untersucht. Für spezielle Fragestellungen wurden vergleichende Berechnungen mit periodischen Superzellmodellen im Dichtefunktional-Formalismus herangezogen. Der Einfluß der Solvatation und eines angelegten Elektrodenpotentials auf das Profil vonEnergiepotentialkurven wurde untersucht. An der (110)-Oberfläche sind Reaktionsfolgen über Had-Intermediate sowohl an Gallium- als auch an Arsen-Plätzen möglich. Für den Volmer-Schritt wechselt die bevorzugte Adsorptionsposition vom Arsen-Platz zum Gallium-Platz, wenn das Elektrodenpotential von Null zu negativen Werten läuft. Dagegen läuft der Heyrovsky-Schritt unabhängig vom Elektrodenpotential immer leicht bevorzugt an den Arsen-Plätzen ab. Die Wasserstoffentwicklung an lokalen Strukturmotiven mit 3-fach koordinierten, sp3-hybridisierten Ga-Oberflächenatomen ohne Konkurrenz von As-Oberflächenatomen, anzutreffen an einer idealen GaAs(111)A-Oberflächenstruktur, ist leicht gegenüber der (110)-Oberfläche bevorzugt. Man sollte eine Verschiebung des onset-Potentials zu einem weniger negativen Wert erwarten. Für alle betrachteten Reaktionsfolgen haben wir Ladungsinjektionskoeffizienten berechnet, die sehr gut mit experimentellen Befunden bzw. mit Daten aus makroskopischen Simulationen der Ladungstransferdynamik übereinstimmen.

Published Online: 2009-09-25
Published in Print: 2001-04
Downloaded on 27.10.2025 from https://www.degruyterbrill.com/document/doi/10.1524/zpch.2001.215.4.461/html
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