journal article·2021

A combined theoretical/experimental study highlighting the formation of carbides on Ru nanoparticles during CO hydrogenation

Ionut-Tudor Moraru, Luis M. Martínez-Prieto, Yannick Coppel, Bruno Chaudret, Lucy Cusinato, Iker del Rosal, Romuald Poteau

Nanoscale· Volume 13· Issue 14
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Abstract

Formation of stable carbides during CO bond dissociation on small ruthenium nanoparticles (RuNPs) is demonstrated, both by means of DFT calculations and by solid state 13C NMR techniques. Theoretical calculations of chemical shifts in several model clusters are employed in order to secure experimental spectroscopic assignations for surface ruthenium carbides. Mechanistic DFT investigations, carried out on a realistic Ru55 nanoparticle model (∼1 nm) in terms of size, structure and surface composition, reveal that ruthenium carbides are obtained during CO hydrogenation. Calculations also indicate that carbide formation via hydrogen-assisted hydroxymethylidyne (COH) pathways is exothermic and occurs at reasonable kinetic cost on standard sites of the RuNPs, such as 4-fold ones on flat terraces, and not only in steps as previously suggested. Another novel outcome of the DFT mechanistic study consists of the possible formation of μ6 ruthenium carbides in the tip-B5 site, similar examples being known only for molecular ruthenium clusters. Moreover, based on DFT energies, the possible rearrangement of the surface metal atoms around the same tip-site results in a μ-Ru atom coordinated to the remaining RuNP moiety, reminiscent of a pseudo-octahedral metal center on the NP surface.
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Research context

OpenAlex topics: Catalysis and Hydrodesulfurization Studies · Catalysts for Methane Reforming · Catalytic Processes in Materials Science

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Affiliations

Université de Toulouse; INSA

UPS

CNRS; LPCNO (IRSAMC)

F-31077 Toulouse

France

Instituto de Tecnología Química (UPV-CSIC)

Universitat Politècnica de València

Valencia

Spain

CNRS

LCC (Laboratoire de Chimie de Coordination)

Université de Toulouse

INPT

Funding

European Social Fund · H2020 European Research Council

References (80)

Show source-provided references
1. Levy · Science · 1973 · 181 · 54710.1126/science.181.4099.547 ↗
2. Stottlemyer · Surf. Sci. Rep. · 2012 · 67 · 20110.1016/j.surfrep.2012.07.001 ↗
3. Hwu · Chem. Rev. · 2005 · 105 · 18510.1021/cr0204606 ↗
4. Nandula · Angew. Chem., Int. Ed. · 2015 · 54 · 531210.1002/anie.201501049 ↗
5. Ma · Energy Environ. Sci. · 2018 · 11 · 211410.1039/C8EE01129J ↗
6. Morales-Guio · Chem. Soc. Rev. · 2014 · 43 · 655510.1039/C3CS60468C ↗
7. Ma · Renewable Sustainable Energy Rev. · 2017 · 75 · 110110.1016/j.rser.2016.11.092 ↗
8. Yang · ACS Appl. Mater. Interfaces · 2013 · 5 · 657110.1021/am401216s ↗
9. Ji · Angew. Chem., Int. Ed. · 2008 · 47 · 851010.1002/anie.200803233 ↗
10. Chen · Catal. Today · 2018 · 311 · 810.1016/j.cattod.2017.09.019 ↗
11. Schulz · Appl. Catal., A · 1999 · 186 · 310.1016/S0926-860X(99)00160-X ↗
12. van Steen · Chem. Eng. Technol. · 2008 · 31 · 65510.1002/ceat.200800067 ↗
13. Méndez · Catal. Today · 2020 · 353 · 310.1016/j.cattod.2020.02.012 ↗
14. de Smit · Chem. Soc. Rev. · 2008 · 37 · 275810.1039/b805427d ↗
15. Xu · Nat. Commun. · 2014 · 5 · 578310.1038/ncomms6783 ↗
16. Wezendonk · J. Catal. · 2018 · 362 · 10610.1016/j.jcat.2018.03.034 ↗
17. Broos · J. Phys. Chem. C · 2018 · 122 · 992910.1021/acs.jpcc.8b01064 ↗
18. Khodakov · Chem. Rev. · 2007 · 107 · 169210.1021/cr050972v ↗
19. Liu · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 1628410.1021/ja408521w ↗
20. Zijlstra · ACS Catal. · 2020 · 10 · 937610.1021/acscatal.0c02420 ↗
21. Zhang · Appl. Catal., B · 2020 · 269 · 11884710.1016/j.apcatb.2020.118847 ↗
22. Quek · Chem. Commun. · 2014 · 50 · 600510.1039/C4CC01687D ↗
23. González-Carballo · ChemCatChem · 2014 · 6 · 208410.1002/cctc.201402080 ↗
24. Kang · Angew. Chem., Int. Ed. · 2009 · 48 · 256510.1002/anie.200805715 ↗
25. Filot · Catal. Sci. Technol. · 2014 · 4 · 312910.1039/C4CY00483C ↗
26. Petersen · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 786310.1021/jp911725u ↗
27. Pei · ACS Catal. · 2015 · 5 · 362010.1021/acscatal.5b00791 ↗
28. Axet · Chem. Rev. · 2020 · 120 · 108510.1021/acs.chemrev.9b00434 ↗
29. Anya · ACS Catal. · 2020 · 10 · 443310.1021/acscatal.9b04369 ↗
30. Foppa · J. Am. Chem. Soc. · 2016 · 138 · 1665510.1021/jacs.6b08697 ↗
31. Foppa · ACS Catal. · 2018 · 8 · 698310.1021/acscatal.8b01232 ↗
32. Foppa · ACS Catal. · 2019 · 9 · 657110.1021/acscatal.9b00239 ↗
33. Shetty · J. Am. Chem. Soc. · 2009 · 131 · 1287410.1021/ja9044482 ↗
34. Shetty · Catal. Today · 2011 · 171 · 16810.1016/j.cattod.2011.04.006 ↗
35. Zhao · J. Phys. Chem. C · 2019 · 123 · 650810.1021/acs.jpcc.8b11692 ↗
36. Ciobica · J. Phys. Chem. B · 2003 · 107 · 380810.1021/jp030010x ↗
37. Cusinato · Nanoscale · 2016 · 8 · 1097410.1039/C6NR01191H ↗
38. Loveless · J. Am. Chem. Soc. · 2013 · 135 · 610710.1021/ja311848e ↗
39. Hibbitts · Angew. Chem., Int. Ed. · 2013 · 52 · 1227310.1002/anie.201304610 ↗
40. Liu · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 1178910.1021/jacs.7b04606 ↗
41. Hibbits · Acc. Chem. Res. · 2015 · 48 · 125410.1021/acs.accounts.5b00063 ↗
42. Takemoto · Coord. Chem. Rev. · 2012 · 256 · 57410.1016/j.ccr.2011.10.025 ↗
43. Duncan · Chem. Phys. Lett. · 1983 · 102 · 16310.1016/0009-2614(83)87385-0 ↗
44. Duncan · J. Catal. · 1985 · 93 · 110.1016/0021-9517(85)90146-0 ↗
45. García-Antón · Angew. Chem., Int. Ed. · 2008 · 47 · 207410.1002/anie.200704763 ↗
46. Martínez-Prieto · ACS Catal. · 2014 · 4 · 316010.1021/cs5010536 ↗
47. Hayward · J. Am. Chem. Soc. · 1982 · 104 · 734710.1021/ja00389a090 ↗
48. del Rosal · Dalton Trans. · 2009 · 214210.1039/b817055j ↗
49. Martínez-Prieto · Chem. Sci. · 2017 · 8 · 293110.1039/C6SC05551F ↗
50. González-Gómez · Nanoscale · 2019 · 11 · 939210.1039/C9NR00391F ↗
51. Martín Morales · Chem. Commun. · 2020 · 56 · 405910.1039/D0CC00442A ↗
52. Foppa · J. Phys. Chem. Lett. · 2018 · 9 · 334810.1021/acs.jpclett.8b01332 ↗
53. Pan · J. Am. Chem. Soc. · 2001 · 123 · 758410.1021/ja003961m ↗
54. Kresse · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 1996 · 54 · 1116910.1103/PhysRevB.54.11169 ↗
55. Kresse · Comput. Mater. Sci. · 1996 · 6 · 1510.1016/0927-0256(96)00008-0 ↗
56. Perdew · Phys. Rev. Lett. · 1996 · 77 · 386510.1103/PhysRevLett.77.3865 ↗
57. Blöchl · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 1994 · 50 · 1795310.1103/PhysRevB.50.17953 ↗
58. Kresse · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 1999 · 59 · 175810.1103/PhysRevB.59.1758 ↗
59. del Rosal · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 216910.1021/jp110090e ↗
60. Del Rosal · ACS Nano · 2013 · 7 · 982310.1021/nn403364p ↗
61. Monkhorst · Phys. Rev. B: Solid State · 1976 · 13 · 518810.1103/PhysRevB.13.5188 ↗
62. Henkelman · J. Chem. Phys. · 2000 · 113 · 990110.1063/1.1329672 ↗
63. Henkelman · J. Chem. Phys. · 2000 · 113 · 997810.1063/1.1323224 ↗
64. Sheppard · J. Chem. Phys. · 2008 · 128 · 13410610.1063/1.2841941 ↗
65. Deringer · J. Phys. Chem. A · 2011 · 115 · 546110.1021/jp202489s ↗
66. Maintz · J. Comput. Chem. · 2013 · 34 · 255710.1002/jcc.23424 ↗
67. Maintz · J. Comput. Chem. · 2016 · 37 · 103010.1002/jcc.24300 ↗
68. Pery · ChemPhysChem · 2005 · 6 · 60510.1002/cphc.200400621 ↗
69. Wolinski · J. Am. Chem. Soc. · 1990 · 112 · 825110.1021/ja00179a005 ↗
70. Cheeseman · J. Chem. Phys. · 1996 · 104 · 549710.1063/1.471789 ↗
71. Forsyth · J. Am. Chem. Soc. · 1997 · 119 · 948310.1021/ja970112z ↗
72. Wu · J. Comput. Chem. · 2007 · 28 · 243110.1002/jcc.20641 ↗
73. Helgaker · Chem. Rev. · 1999 · 99 · 2910.1021/cr960017t ↗
74. Dybiec · Magn. Reson. Chem. · 2009 · 47 · 6310.1002/mrc.2350 ↗
75. del Rosal · Dalton Trans. · 2008 · 395910.1039/b802190b ↗
76. Popoff · Chem. – Eur. J. · 2013 · 19 · 96410.1002/chem.201202737 ↗
77. Le Guennic · Chem. – Eur. J. · 2005 · 11 · 167710.1002/chem.200400317 ↗
78. d'Avezac · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2007 · 76 · 16512210.1103/PhysRevB.76.165122 ↗
79. Adamo · J. Chem. Phys. · 1999 · 110 · 615810.1063/1.478522 ↗
80. Dolg · J. Chem. Phys. · 1987 · 86 · 86610.1063/1.452288 ↗