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Nuclear quantum effect for hydrogen adsorption on Pt(111)

Pt(111)面への水素吸着における量子効果

Yan, L.*; 山本 良幸*; 志賀 基之; 杉野 修*

Yan, L.*; Yamamoto, Yoshiyuki*; Shiga, Motoyuki; Sugino, Osamu*

電気化学において関心の高い、白金(111)表面上の高被覆率水素に対して、第一原理経路積分分子動力学シミュレーションを行った。その結果、室温において、量子効果と多体効果がともに重要な役割を果たすことを見出した。完全被覆率の場合、水素原子は、その強い反発力のため、アトップサイトまたは面心立方サイトに存在する。これに対して、被覆率2/3の場合には、水素原子は非局在化して、面心立方サイトと最密六方サイトに共存する。この結果は、白金表面への水素の被覆率依存性に関する長年の論争を解決する手がかりとして、量子多体効果が大変重要であることを示している。

Nuclear quantum effect and many-body interaction importantly interplay in the hydrogen on the Pt(111) system under the high coverage conditions of electrochemical interest, as revealed by our ab initio path integral and ring polymer molecular dynamics simulations done at room temperature. At the full monolayer coverage, hydrogen atoms are close-packed either at the atop sites or the fcc sites owing to their strong repulsion and the nearly degenerate nature of the adsorption sites. While at the 2/3 monolayer, they are delocalized over the fcc and hcp sites via the bridge sites because of the hopping. The quantum many-body effect is thus crucially important in determining the coverage dependence and provides a clue for reconciling the long-standing controversy on this system.

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