Trends in water-promoted oxygen dissociation on the transition metal surfaces from first principles

文献情報

出版日 2016-12-20
DOI 10.1039/C6CP06974F
インパクトファクター 3.676
著者

Ming Yan, Zheng-Qing Huang, Yu Zhang, Chun-Ran Chang


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要旨

Dissociation of O2 into atomic oxygen is a significant route for O2 activation in metal-catalyzed oxidation reactions. In this study, we systematically investigated the mechanisms of O2 dissociation and the promoting role of water on nine transition metal (Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, and Au) surfaces. It was found that on clean metal surfaces, the dissociation of O2 was most favorable on Co(0001) and most difficult on Au(111), according to the free energy barriers of Co (0.03 eV) < Rh (0.20 eV) < Ni (0.26 eV) < Cu (0.45 eV) < Ir (0.62 eV) < Pd (0.65 eV) < Pt (0.92 eV) < Ag (1.07 eV) < Au (2.50 eV). With the involvement of water, O2 and H2O formed an O2⋯H2O complex via hydrogen bonding interactions, being accompanied by an increased co-adsorption free energy of 0.17–0.52 eV and a more activated O–O bond. More importantly, the introduction of water reduced the barriers of O2 dissociation on all the nine metal surfaces, with the reduction of the free energy barrier ranging from 0.03 eV on Co(0001) to 1.05 eV on Au(111). The intrinsic reasons for the promotional role of water are attributed to the hydrogen bonding effect between O2 and H2O and the electronic modification effect induced by the water–surface interaction. These results provide a fundamental understanding of the catalytic role of water in O2 dissociation on the transition metal surfaces and may be helpful in the rational design of new efficient catalysts for the oxidation reactions using molecular oxygen or air.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

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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