НАЗВАНИЕ СТАТЬИ:
Силовое поле для активных форм кислорода и его применение  для исследования реакции восстановления кислорода  на поверхности графена

СПИСОК АВТОРОВ:
Кисленко В.А., Павлов С.В., Чекушкин П.М., Кисленко С.А.

СПИСОК АВТОРОВ (С РАСШИФРОВКОЙ):
Кисленко Виталий Александрович, Павлов Сергей Владимирович, Чекушкин Петр Михайлович, Кисленко Сергей Александрович

DOI:
https://doi.org/10.33849/2025408

ПОСТУПИЛА В РЕДАКЦИЮ:
27 августа 2025 г.

ЖУРНАЛ:
Вестник Объединенного института высоких температур

ТОМ:
20

ГОД:
2025

СТРАНИЦЫ:
47-54

РУБРИКА:
Разное / Междисциплинарные проблемы

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
молекулярная динамика; силовое поле; реакция восстановления кислорода; графен

КОДЫ КЛАССИФИКАТОРОВ:
УДК 544.63

АННОТАЦИЯ:
Разработано полноатомное силовое поле для молекулярно-динамического моделирования гидратированных активных форм кислорода O, O$_2$, O$_2^-$, OH, OH$^-$, OOH, являющихся интермедиатами реакции восстановления кислорода. Силовое поле, совместимое с моделью воды TIP3P. Для апробации силового поля рассчитаны свободные энергии гидратации интермедиатов. Показано, что хемосорбция интермедиатов на графене сопровождается существенной реконструкцией поверхности, что делает невозможным корректное описание процесса в рамках нереакционного силового поля. Для расчета потенциала средней силы интермедиатов вблизи поверхности предложена гибридная квантово-классическая схема, при которой взаимодействие с~растворителем рассчитывается с помощью классической молекулярной динамики, а взаимодействие интермедиат--поверхность, приводящее к образованию химических связей и реконструкции поверхности, --- с~помощью DFT. Обнаружено, что для O$_2$ хемосорбированное состояние энергетически менее выгодно по сравнению с гидратированным и физически адсорбированным состояниями, что указывает на возможную реализацию механизма Schmickler при восстановлении кислорода на поверхности графена.

TITLE:
Force field for active oxygen species and its application to the study of oxygen reduction reaction on graphene surface

AUTHORS:
Kislenko V.A., Pavlov S.V., Chekushkin P.M., Kislenko S.A.

KEYWORDS:
molecular dynamics; force field; oxygen reduction reaction; graphene

ABSTRACT:
A fully atomistic force field has been developed for molecular dynamics simulations of hydrated reactive oxygen species O, O$_2$, O$_2^-$, OH, OH$^-$, and OOH, which are intermediates of the oxygen reduction reaction. The force field is compatible with the TIP3P water model. To validate the force field, hydration free energies of the intermediates were calculated. It was shown that chemisorption of the intermediates on graphene is accompanied by significant surface reconstruction, which makes it impossible to properly describe the process within a non-reactive force field framework. To compute the potential of mean force of the intermediates near the surface, a hybrid quantum–classical scheme is proposed, in which solvent interactions are described using classical molecular dynamics, while intermediate–surface interactions, leading to chemical bond formation and surface reconstruction, are treated within DFT framework. It was found that the chemisorbed state of O$_2$ is energetically less favorable compared to the hydrated and physisorbed states, which indicates a possible realization of the Schmickler mechanism in the oxygen reduction reaction on the graphene surface.