Elucidating the bimodal acid-base behavior of the water-silica interface from first principles

Journal of the American Chemical Society

Volumn 131, Issue 51, 2009, Pages 18358-18365

  Leung, Kevin ^a   Nielsen, Ida M B ^b   Criscenti, Louise J ^a  

^a SANDIA NATIONAL LABORATORIES   (United States)

^b SANDIA NATIONAL LABORATORIES   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AB INITIO MOLECULAR DYNAMICS SIMULATION; ACID-BASE BEHAVIOR; ACIDITY CONSTANTS; CRYSTALLINE SILICA; FIRST-PRINCIPLES; INTERFACE APPLICATIONS; LIQUID WATER; MULTIPLE REPRESENTATIVES; NEUTRAL SOLUTION; RING OPENING REACTION; SILANOL GROUPS; SILANOLS; SILICA SURFACE; STRUCTURAL BASIS; STRUCTURAL MOTIFS;

ACETIC ACID; ACIDITY; ACIDS; HYDROGEN BONDS; MOLECULAR DYNAMICS; REACTION KINETICS; SILICA;

PHASE INTERFACES;

SILANOL; SILICON DIOXIDE; WATER;

ACID BASE BALANCE; ACIDITY; ARTICLE; CONTROLLED STUDY; HYDROGEN BOND; LIQUID; PROCESSING; PROTON TRANSPORT; RING OPENING;

EID: 73249132933     PISSN: 00027863     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja906190t     Document Type: Article

References (90)

1. Brinker, C. J.; Scherer, G. W. Sol-Gel Science; Academic Press: London, 1990; Chapter 10.
2. Iler, R. K. The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties, and Biochemistry; Wiley: New York, 1979.
3. Stein, D.; Kruithof, M.; Dekker, C. Phys. Rev. Lett. 2004, 93, 035901.
4. Baca, H. K.; Ashley, C.; Carnes, E.; Lopez, D.; Flemming, J.; Dunphy, D.; Singh, S.; Chen, Z.; Liu, N. G.; Fan, H. Y.; Lopez, G. P.; Brozik, S. M.; Werner-Washburne, M.; Brinker, C. J. Science 2006, 313, 337.
5. Fan, R.; Huh, S.; Yan, R.; Arnold, J.; Yang, P. D. Nat. Mater. 2008, 7, 303.
6. Kokal, S.; Tang, T.; Schramm, L.; Sayegh, S. Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects 1995, 94, 253.
7. Car, R.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 1985, 55, 2471.
8. Sprik, M. Chem. Phys. 2000, 258, 139.
9. Ivanov, I.; Chen, B.; Raugei, S.; Klein, M. L. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 6365.
10. Park, J. M.; Laio, A.; Iannuzzi, M.; Parrinello, M. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 11318.
11. Geissler, P. L.; Dellago, C.; Chandler, D.; Hutter, J.; Parrinello, M. Science 2001, 291, 2121.
12. Leung, K.; Rempe, S. B.; Lorenz, C. D. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 095504.
13. Hass, K. C.; Schneider, W. F.; Curioni, A.; Andreoni, W. Science 1998, 282, 265.
14. Eisenthal, K. B. Chem. Rev. 2006, 106, 1462.
15. Shen, Y. R.; Ostroverkhov, V. Chem. Rev. 2006, 106, 1140.
16. Ong, S. W.; Zhao, X. L.; Eisenthal, K. B. Chem. Phys. Lett. 1992, 191, 327.
17. Ostroverkhov, V.; Waychunas, G. A.; Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 046102.
18. Allen, L. H.; Matijevic, E.; Meites, L. J. Inorg. Nucl. Chem. 1971, 33, 1293.
19. Duval, Y.; Mielczarski, J. A.; Pokrovsky, O. S.; Mielczarski, E.; Ehrhardt, J. J. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 2937.
20. Li, I.; Bandara, J.; Shultz, M. J. Langmuir 2004, 20, 10474.
21. von Schindler, P.; Kamber, H. R. Helv. Chim. Acta 1968, 51, 1781.
22. Dong, Y.; Pappu, S. V.; Xu, Z. Anal. Chem. 1998, 70, 4730.
23. Lorenz, C. D.; Crozier, P. S.; Anderson, J. A.; Travesset, A. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 10222.
24. Fan, H.-F.; Li, F. P.; Zare, R. N.; Lin, K.-C. Anal. Chem. 2007, 79, 3654.
25. Mori, T.; Kuroda, Y.; Yoshikawa, Y.; Nagao, M.; Kittaka, S. Langmuir 2005, 18, 1595.
26. Vance, F. W.; Lemon, B. I.; Ekhoff, J. A.; Hupp, J. T. J. Phys. Chem. B 1998, 102, 1845.
27. O'Reilly, J. P.; Butts, C. P.; I'Anson, I. A.; Shaw, A. M. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 1632.
28. Fisk, J. D.; Batten, R.; Jones, G.; O'Reilly, J. P.; Shaw, A. M. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 14475.
29. Rosenholm, J. M.; Czuryskiewicz, T.; Kleitz, F.; Rosenholm, J. B.; Linden, M. Langmuir 2007, 23, 4315.
30. Zhuravlev, L. T. Colloids Surf. A 2000, 173, 1.
31. See, for example: Hiemstra, T.; De Wit, J. C. M.; Van Riemsdijk, W. H. J. Colloid Interface Sci. 1989, 133, 105, and references therein.
32. Bickmore, B. R.; Tadanier, C. J.; Rosso, K. M.; Monn, W. D.; Eggett, D. L. Geochim. Cosmochim. Acta 2004, 68, 2025.
33. Tossell, J. A.; Sahai, N. Geochim. Cosmochim. Acta 2000, 64, 4097.
34. Rustad, J. R.; Dixon, D. A.; Kubicki, J. D.; Felmy, A. R. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 4051.
35. Sefcik, J.; Goddard, W. A. Geochmim. Cosmochim. Acta 2001, 65, 4435.
36. See, for example: Tielens, F.; Gervais, C.; Lambert, J. F.; Mauri, F.; Costa, D. Chem. Mater. 2008, 20, 3336, and references therein.
37. Nair, N. N.; Schreiner, E.; Marx, D. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14148.
38. Cicero, G.; Grossman, J. C.; Schwegler, E.; Gygi, F.; Galli, G. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1871.
39. Kuo, I.-F. W.; Mundy, C. J. Science 2004, 303, 658.
40. Kudin, K. N.; Car, R. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3915.
41. Liu, L.-M.; Krack, M.; Michaelides, A. J. Chem. Phys. 2009, 130, 234702.
42. Takahara, S.; Sumiyama, N.; Kittaka, S.; Yamaguchi, T.; Bellissent-Funel, M. C. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 11231.
43. Lee, S. H.; Rossky, P. J. J. Chem. Phys. 1994, 100, 3334.
44. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, K. M. Phys. Rev. Lett. 1996, 77, 3865.
45. Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758.
46. Kresse, G.; Furthmüller, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169-11186.
47. Lopes, P. E. M.; Murashov, V.; Tazi, M.; Demchuk, E.; MacKerell, A. D. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 2782.
48. Berendsen, H. J. C.; Grigera, J. R.; Straatsma, T. P. J. Phys. Chem. 1987, 91, 6269.
49. Martin, M. G.; Thompson, A. P. Fluid Phase Equilib. 2004, 217, 105.
50. Chandler D. Introduction to Modern Statistical Mechanics; Oxford: New York, 1997; Chapter 6.
51. Blumberger, J.; Klein, M. L. Chem. Phys. Lett. 2006, 422, 210.
52. Leung, K.; Nielsen, I. M. B.; Criscenti, L. J. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 4453.
53. Laio, A.; Parrinello, M. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2002, 99, 12562.
54. Iannuzzi, M.; Laio, A.; Parrinello, M. Phys. Rev. Lett. 2003, 90, 238302.
55. Laio, A.; Gervasio, F. L. Rep. Prog. Phys. 2008, 71, 126601.
56. Frisch, M. J. et al. Gaussian 03, Revision C.02; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, 2004.
57. Lee, C. T.; Yang, W. T.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785.
58. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648.
59. Raghavachari, K.; Trucks, G. W.; Pople, J. A.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1989, 157, 479.
60. Yang, J.; Meng, S.; Xu, L. F.; Wang, E. G. Phys. Rev. Lett. 2004, 92, 146102.
61. Fitts, J. P.; Shang, X. M.; Flynn, G. W.; Heinz, T. F.; Eisenthal, K. B. J. Phys. Chem. B 2005, 109, 7981.
62. Chuang, I.-S.; Maciel, G. E. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 3052.
63. Preliminary experimental measurements suggest that the pH of zero charge increases inside narrow silica nanoporour membranes (Jiang, Y.-B. Private communications).
64. Xu, S.; Scherer, G. W.; Mahadevan, T. S.; Garofalini, S. H. Langmuir 2009, 25, 5076, and references therein.
65. Tissandier, M. D.; Cowen, K. A.; Feng, W. Y.; Grunlach, E.; Cohen, M. H.; Earhart, A. D.; Coe, J. V.; Tuttle, T. R. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 7787.
66. Hartnig, C.; Witschel, W.; Spohr, E.; Gallo, P.; Ricci, M. A.; Rovere, M. J. Mol. Liq. 2000, 85, 127.
67. Cruz-Chu, E. R.; Aksimentiev, A.; Schulten, K. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 21497.
68. Leung, K. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1808.
69. Nangia, S.; Washton, N. M.; Mueller, K. T.; Kubicki, J. D.; Garrison, B. J. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 5169.
70. Du, Z. M.; de Leeuw, N. H. Surf. Sci. 2004, 554, 193.
71. Du, Z. M.; de Leeuw, N. H. Dalton Trans. 2006, 22, 2623.
72. Braunschweig, B.; Eissner, S.; Daum, W. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 1751.
73. Rickman, J. M.; Srolovitz, D. J. Surf. Sci. 1993, 284, 211.
74. Brinker, C. J.; Kirkpatrick, R. J.; Tallant, D. R.; Bunker, B. C.; Montez, B. J. Non-Cryst. Solids 1988, 99, 418.
75. Wallace, S.; West, J. K.; Hench, L. L. J. Non-Cryst. Solids 1993, 152, 101.
76. Garofalini, S. H. J. Non-Cryst. Solids 1990, 120, 1.
77. Mahadevan, T. S.; Garofalini, S. H. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 1507.
78. Lasaga, A. C. Rev. Mineral. 1990, 23, 17.
79. Hassanali, A. A.; Singer, S. J. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 11181. see Fig. 9.
80. Criscenti, L. J.; Kubicki, J. D.; Brantley, S. L. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 198.
81. Nangia, S.; Garrison, B. J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 9538.
82. Trinh, T. T.; Jansen, A. P. J.; van Santen, R. A.; Meijer, E. J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 2647.
83. Feuston, B. P.; Garofalini, S. H. J. Chem. Phys. 1988, 89, 5818.
84. Fu, Y.; Collinson, M. M.; Higgins, D. A. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 13838.
85. Konek, C. T.; Musorrafiti, M. J.; Al-Abadleh, H. A.; Bertin, P. A.; Nguyen, S. T.; Geiger, F. M. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 11754.
86. Zhang, L.; Tian, C.; Waychunas, G. A.; Shen, Y. R. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 7686.
87. Stack, A. G.; Higgins, S. R.; Eggleston, C. M. Geochim. Cosmochim. Acta 2001, 65, 3055.
88. Gibbs-Davis, J. M.; Kruk, J. J.; Konek, C. T.; Scheidt, K. A.; Geiger, F. M. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 15444.
89. Cruz-Chu, E. R.; Aksimentiev, A.; Schulten, K. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 1850.
90. Leung, K.; Rempe, S. B. J. Comput. Theor. Nanoscience 2009, 6, 1948.