Nonadiabatic Hydrogen Dissociation on Copper Nanoclusters

纳米团簇 离解(化学) 化学 材料科学 化学物理 纳米技术 无机化学 光化学 冶金 物理化学 有机化学
作者
Robert A. Hoyt,M. M. Montemore,Efthimios Kaxiras
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:9 (18): 5339-5343 被引量:14
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.8b02133
摘要

Copper surfaces exhibit high catalytic selectivity but have poor hydrogen dissociation kinetics; therefore, we consider icosahedral Cu13 nanoclusters to understand how nanoscale structure might improve catalytic prospects. We find that the spin state is a surprisingly important design consideration. Cu13 clusters have large magnetic moments due to finite size and symmetry effects and exhibit magnetization-dependent catalytic behavior. The most favorable transition state for hydrogen dissociation has a lower activation energy than that on single-crystal copper surfaces but requires a magnetization switch from 5 to 3 μB. Without this switch, the activation energy is higher than that on single-crystal surfaces. Weak spin-orbit coupling hinders this switch, decreasing the kinetic rate of hydrogen dissociation by a factor of 16. We consider strategies to facilitate magnetization switches through optical excitations, substitution, charge states, and co-catalysts; these considerations demonstrate how control of magnetic properties could improve catalytic performance.

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