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A Molecular Density Functional Theory Approach to Electron Transfer Reactions

Authors :
Daniel Borgis
Maximilien Levesque
Mathieu Salanne
Guillaume Jeanmairet
Benjamin Rotenberg
PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX)
Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E)
Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Processus d'Activation Sélective par Transfert d'Energie Uni-électronique ou Radiatif (UMR 8640) (PASTEUR)
Département de Chimie - ENS Paris
École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Maison de la Simulation (MDLS)
Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
ANR-15-CE09-0013,LENNS,Ecouter le bruit électrique pour les capteurs nanofluidiques(2015)
Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP)
Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)
École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris)
Source :
Chemical Science, Chemical Science, 2019, 10 (7), pp.2130-2143. ⟨10.1039/c8sc04512g⟩, Chemical Science, The Royal Society of Chemistry, 2019, 10 (7), pp.2130-2143. ⟨10.1039/c8sc04512g⟩
Publication Year :
2018
Publisher :
arXiv, 2018.

Abstract

Beyond the dielectric continuum description initiated by Marcus theory, the nowadays standard theoretical approach to study electron transfer (ET) reactions in solution or at interfaces is to use classical force field or ab initio Molecular Dynamics simulations. We propose here an alternative method based on liquid-state theory, namely molecular density functional theory, which is numerically much more efficient than simulations while still retaining the molecular nature of the solvent. We begin by reformulating molecular ET theory in a density functional language and show how to compute the various observables characterizing ET reactions from an ensemble of density functional minimizations. In particular, we define in that formulation the relevant order parameter of the reaction, the so-called vertical energy gap, and determine the Marcus free energy curves of both reactant and product states along that coordinate. Important thermodynamic quantities such as the reaction free energy and the reorganization free energies follow. We assess the validity of the method by studying the model Cl$^0\rightarrow$ Cl$^+$ and Cl$^0\rightarrow$ Cl$^-$ ET reactions in bulk water for which molecular dynamics results are available. The anionic case is found to violate the standard Marcus theory. Finally, we take advantage of the computational efficiency of the method to study the influence of confinement on the ET, by investigating the evolution of the reorganization free energy of the Cl$^0\rightarrow$ Cl$^+$ reaction when the atom approaches an atomistically resolved wall.<br />Comment: 30 pages, 10 figures, Chemical Science, 2019

Details

ISSN :
20416520 and 20416539
Database :
OpenAIRE
Journal :
Chemical Science, Chemical Science, 2019, 10 (7), pp.2130-2143. ⟨10.1039/c8sc04512g⟩, Chemical Science, The Royal Society of Chemistry, 2019, 10 (7), pp.2130-2143. ⟨10.1039/c8sc04512g⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....4ab1399d3e0a456751eabc9b3232ae62
Full Text :
https://doi.org/10.48550/arxiv.1810.02168