Catalytic Proton Dynamics at the Water/Solid Interface of Ceria-Supported Pt Clusters

化学 催化作用 氢氧化物 氧化物 离解(化学) 化学物理 分子动力学 氢溢流 质子 溶剂化 扩散 分子 多相催化 化学工程 无机化学 物理化学 计算化学 有机化学 热力学 工程类 物理 量子力学
作者
Matteo Farnesi Camellone,Fabio R. Negreiros,Lucie Szabová,Yoshitaka Tateyama,Stefano Fabris
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (36): 11560-11567 被引量:68
标识
DOI:10.1021/jacs.6b03446
摘要

Wet conditions in heterogeneous catalysis can substantially improve the rate of surface reactions by assisting the diffusion of reaction intermediates between surface reaction sites. The atomistic mechanisms underpinning this accelerated mass transfer are, however, concealed by the complexity of the dynamic water/solid interface. Here we employ ab initio molecular dynamics simulations to disclose the fast diffusion of protons and hydroxide species along the interface between water and ceria, a catalytically important, highly reducible oxide. Up to 20% of the interfacial water molecules are shown to dissociate at room temperature via proton transfer to surface O atoms, leading to partial surface hydroxylation and to a local increase of hydroxide species in the surface solvation layer. A water-mediated Grotthus-like mechanism is shown to activate the fast and long-range proton diffusion at the water/oxide interface. We demonstrate the catalytic importance of this dynamic process for water dissociation at ceria-supported Pt nanoparticles, where the solvent accelerates the spillover of ad-species between oxide and metal sites.
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