Theoretical Study of the Aggregation and Dissociation of Water Molecules on the ZrCo（110） Surface

doi:10.7503/cjcu20240186

Abstract

Abstract:

The oxidation reaction between zirconium cobalt alloy（ZrCo）， as a tritium storage material， and gas water molecules usually leads to the poisoning and deactivation of the material surface， which greatly affects the safe operation of fusion reactors. In this article， first-principles calculation methods based on density functional theory（DFT） was employed to study the adsorption and dissociation behavior of various water molecule clusters on the ZrCo（110） surface. The result shows that 6H₂O cluster forms a cyclic adsorption configuration on the surface through hydrogen bonding. As the cluster size increases， the adsorption energy of newly added molecule gradually decreases， and water clusters gradually evolve into complex double-layer water molecule adsorption configurations due to surface spatial effects. Moreover， protons can rapidly transfer between different water molecules by the hydrogen bonding in water clusters. On the other hand， water molecules are prone to chemical bond cleavage at the active sites on the ZrCo（110） surface， where the product OH mainly interacts with surface Zr atoms， while the product H adsorbs on Zr₂Co threefold hollow sites. Therefore， hydrogen bonding plays a very important role in the oxidation and corrosion behavior of ZrCo（110） surface by water molecules.

Key words: Water cluster, ZrCo alloy, Adsorption and dissociation, First-principles calculation

CLC Number:

O641

TrendMD:

TANG Ru, DAN Qi, YE Rongxing, LAN Yuejing, WANG Jinchuan, CHEN Xiaohong, SONG Jiangfeng, ZHOU Linsen. Theoretical Study of the Aggregation and Dissociation of Water Molecules on the ZrCo（110） Surface[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(8): 20240186.

Figures/Tables 14

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n	E_ads/eV	d_O—Zr/nm	∠H—O—H/（˚）	d_O—H/nm	d_H—Co/nm	d_H-bond/nm
2	-1.60	0.240	105	0.100	——	0.199
3	-2.45	0.242	105	0.099	——	0.234
4	-3.26	0.240	104	0.100	——	0.232
5	-4.00	0.242	105	0.099	——	0.218
6	-4.82	0.239	106	0.100	0.233	0.185
7	-5.74	0.238	106	0.100	0.232	0.181
8	-6.60	0.238	106	0.100	0.236	0.191
9	-7.19	0.239	109	0.099	0.231	0.187
10	-7.70	0.244	106	0.099	0.230	0.187
11	-7.98	0.244	106	0.098	0.230	0.177

n	E_ads/eV	d_O—Zr/nm	∠H—O—H/（˚）	d_O—H/nm	d_H—Co/nm	d_H-bond/nm
2	-1.60	0.240	105	0.100	——	0.199
3	-2.45	0.242	105	0.099	——	0.234
4	-3.26	0.240	104	0.100	——	0.232
5	-4.00	0.242	105	0.099	——	0.218
6	-4.82	0.239	106	0.100	0.233	0.185
7	-5.74	0.238	106	0.100	0.232	0.181
8	-6.60	0.238	106	0.100	0.236	0.191
9	-7.19	0.239	109	0.099	0.231	0.187
10	-7.70	0.244	106	0.099	0.230	0.187
11	-7.98	0.244	106	0.098	0.230	0.177

n	E_DFT/eV	E_n /eV	E_ad/eV	Error（%）	E_H-bond/eV	Type Ⅰ H₂O（%）	Type Ⅱ H₂O（%）	Ⅰ⁃Ⅰ H⁃bond（%）	Ⅰ⁃Ⅱ H⁃bond（%）
3	-2.45	-0.85	-2.34	4.70	-0.03	98.72	0	1.28	0
4	-3.26	-0.81	-3.12	4.49	-0.03	99.04	0	0.96	0
5	-4.00	-0.74	-3.89	2.83	-0.05	98.71	0	1.29	0
6	-4.82	-0.82	-5.03	-4.17	-1.47	62.03	8.75	0.80	28.43
7	-5.74	-0.92	-6.04	-4.97	-2.24	55.58	11.68	0.71	36.42
8	-6.60	-0.86	-6.95	-5.04	-2.94	45.18	12.52	0.58	41.73
9	-7.19	-0.59	-7.32	-1.78	-2.53	53.28	12.16	0.55	34.02
10	-7.70	-0.51	-8.05	-4.35	-2.55	56.89	11.43	0.62	31.06

n	E_DFT/eV	E_n /eV	E_ad/eV	Error（%）	E_H-bond/eV	Type Ⅰ H₂O（%）	Type Ⅱ H₂O（%）	Ⅰ⁃Ⅰ H⁃bond（%）	Ⅰ⁃Ⅱ H⁃bond（%）
3	-2.45	-0.85	-2.34	4.70	-0.03	98.72	0	1.28	0
4	-3.26	-0.81	-3.12	4.49	-0.03	99.04	0	0.96	0
5	-4.00	-0.74	-3.89	2.83	-0.05	98.71	0	1.29	0
6	-4.82	-0.82	-5.03	-4.17	-1.47	62.03	8.75	0.80	28.43
7	-5.74	-0.92	-6.04	-4.97	-2.24	55.58	11.68	0.71	36.42
8	-6.60	-0.86	-6.95	-5.04	-2.94	45.18	12.52	0.58	41.73
9	-7.19	-0.59	-7.32	-1.78	-2.53	53.28	12.16	0.55	34.02
10	-7.70	-0.51	-8.05	-4.35	-2.55	56.89	11.43	0.62	31.06

Species	Site	E_ads/eV	d_X⁃surface/nm	d_O—H/nm	Species	Site	E_ads/eV	d_X⁃surface/nm	d_O—H/nm
OH	T1	-4.54	0.194	0.097	O	B1	-4.73	0.122	—
	H1	-4.97	0.121	0.097		B2	-4.14	0.090	—
	B1	-4.99	0.152	0.098	H	H1	-0.72	0.100	—
O	T1	-3.04	0.180	—		B1	-0.39	0.130	—
	H1	-5.09	0.095	—		B2	-0.50	0.063	—