Origin of the catalytic activity of face-centered-cubic ruthenium nanoparticles determined from an atomic-scale structure

文献情報

出版日 2016-10-11
DOI 10.1039/C6CP04088H
インパクトファクター 3.676
著者

L. S. R. Kumara, Anli Yang, Chulho Song, Kohei Kusada, Hirokazu Kobayashi


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要旨

The 3-dimensional (3D) atomic-scale structure of newly discovered face-centered cubic (fcc) and conventional hexagonal close packed (hcp) type ruthenium (Ru) nanoparticles (NPs) of 2.2 to 5.4 nm diameter were studied using X-ray pair distribution function (PDF) analysis and reverse Monte Carlo (RMC) modeling. Atomic PDF based high-energy X-ray diffraction measurements show highly diffuse X-ray diffraction patterns for fcc- and hcp-type Ru NPs. We here report the atomic-scale structure of Ru NPs in terms of the total structure factor and Fourier-transformed PDF. It is found that the respective NPs have substantial structural disorder over short- to medium-range order atomic distances from the PDF analysis. The first-nearest-neighbor peak analyses show a significant size dependence for the fcc-type Ru NPs demonstrating the increase in the peak height due to an increase in the number density as a function of particle size. The bond angle and coordination number (CN) distribution for the RMC-simulated fcc- and hcp-type Ru NP models indicated inherited structural features from their bulk counterparts. The CN analysis of the whole NP and surface of each RMC model of Ru NPs show the low activation energy packing sites on the fcc-type Ru NP surface atoms. Finally, our newly defined order parameters for RMC simulated Ru NP models suggested that the enhancement of the CO oxidation activity of fcc-type NPs was due to a decrease in the close packing ordering that resulted from the increased NP size. These structural findings could be positively supported for synthesized low-cost and high performance nano-sized catalysts and have potential application in fuel-cell systems and organic synthesis.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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