Stoichiometric and oxygen-rich M2On- and M2On (M = Nb, Ta; N = 5-7) clusters: Molecular models for oxygen radicals, diradicals, and superoxides

Journal of the American Chemical Society

Volumn 133, Issue 9, 2011, Pages 3085-3094

  Zhai, Hua Jin ^a   Zhang, Xian Hui ^b,c   Chen, Wen Jie ^b,c   Huang, Xin ^b,c   Wang, Lai Sheng ^a  

^a BROWN UNIVERSITY   (United States)

^b FUZHOU UNIVERSITY   (China)

^c FUJIAN INSTITUTE OF RESEARCH ON THE STRUCTURE OF MATTER   (China)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ADSORPTION ENERGIES; ANIONIC CLUSTERS; CLOSED SHELLS; DIOXYGEN ACTIVATION; DIRADICALS; DOUBLET GROUND STATE; HOMO-LUMO GAPS; MOLECULAR MODELS; OXYGEN RADICAL; SPIN DENSITIES; STRUCTURAL DEFECT; SUPEROXIDES; TRANSITION-METAL OXIDES; VARIOUS DENSITIES;

ADSORPTION; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; METALLIC COMPOUNDS; MOLECULAR MODELING; MOLECULAR OXYGEN; NIOBIUM; PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY; TANTALUM; TANTALUM OXIDES; TRANSITION METALS;

NIOBIUM OXIDE;

NIOBIUM; OXYGEN RADICAL; SUPEROXIDE; TANTALUM;

ARTICLE; CHEMICAL ANALYSIS; CHEMICAL BOND; CHEMICAL STRUCTURE; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; STOICHIOMETRY; STRUCTURE ANALYSIS; X RAY PHOTOELECTRON SPECTROSCOPY;

EID: 79952256860     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja110061v     Document Type: Article

References (112)

1. Henrich, V. E.; Cox, P. A. The Surface Science of Metal Oxides; Cambridge University Press: Cambridge, 1994.
2. Freund, H.-J.; Kuhlenbeck, H.; Staemmler, V. Rep. Prog. Phys. 1996, 59, 283
3. Freund, H.-J.; Pacchioni, G. Chem. Soc. Rev. 2008, 37, 2224
4. Ganduglia-Pirovano, M. V.; Hofmann, A.; Sauer, J. Surf. Sci. Rep. 2007, 62, 219
5. For reviews on mononuclear and molecular oxygen species on metal oxide surfaces, see: Che, M.; Tench, A. J. Adv. Catal. 1982, 31, 77
6. Che, M.; Tench, A. J. Adv. Catal. 1983, 32, 1
7. Anpo, M.; Che, M.; Fubini, B.; Garrone, E.; Giamello, E.; Paganini, M. C. Top. Catal. 1999, 8, 189
8. Wachs, I. E.; Weckhuysen, B. M. Appl. Catal., A 1997, 157, 67
9. Weckhuysen, B. M.; Keller, D. E. Catal. Today 2003, 78, 25
10. Tanabe, K.; Okazaki, S. Appl. Catal., A 1995, 133, 191
11. Tanabe, K. Catal. Today 2003, 78, 65
12. Ziolek, M. Catal. Today 2003, 78, 47
13. Ushikubo, T. Catal. Today 2000, 57, 331
14. Guerrero-Perez, M. O.; Banares, M. A. Catal. Today 2009, 142, 245
15. Kudo, A.; Miseki, Y. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 253
16. Fielicke, A.; Meijer, G.; von Helden, G. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3659
17. Justes, D. R.; Mitric, R.; Moore, N. A.; Bonacic-Koutecky, V.; Castleman, A. W., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 6289
18. Johnson, G. E.; Mitric, R.; Tyo, E. C.; Bonacic-Koutecky, V.; Castleman, A. W., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 13912
19. Johnson, G. E.; Tyo, E. C.; Castleman, A. W., Jr. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 18108
20. Johnson, G. E.; Mitric, R.; Nossler, M.; Tyo, E. C.; Bonacic-Koutecky, V.; Castleman, A. W., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5460
21. Nossler, M.; Mitric, R.; Bonacic-Koutecky, V.; Johnson, G. E.; Tyo, E. C.; Castleman, A. W., Jr. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 407
22. Dong, F.; Heinbuch, S.; Xie, Y.; Rocca, J. J.; Bernstein, E. R.; Wang, Z. C.; Deng, K.; He, S. G. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1932
23. Zhao, Y. X.; Wu, X. N.; Wang, Z. C.; He, S. G.; Ding, X. L. Chem. Commun. 2010, 46, 1736
24. Ma, J. B.; Wu, X. N.; Zhao, Y. X.; Ding, X. L.; He, S. G. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 10024
25. Feyel, S.; Döbler, J.; Schröder, D.; Sauer, J.; Schwarz, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 4681
26. Schröder, D.; Schwarz, H. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008, 105, 18114
27. Santambrogio, G.; Brümmer, M.; Wöste, L.; Döbler, J.; Sierka, M.; Sauer, J.; Meijer, G.; Asmis, K. R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 3992
28. Zhao, Y. Y.; Zheng, X. M.; Zhou, M. F. Chem. Phys. 2008, 351, 13
29. Sigsworth, S. W.; Castleman, A. W., Jr. J. Am. Chem. Soc. 1992, 114, 10471
30. Deng, H. T.; Kerns, K. P.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. 1996, 100, 13386
31. Zemski, K. A.; Bell, R. C.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. A 2000, 104, 5732
32. Zemski, K. A.; Justes, D. R.; Bell, R. C.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 4410
33. Zemski, K. A.; Justes, D. R.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 10237
34. Justes, D. R.; Moore, N. A.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 3855
35. Jackson, P.; Fisher, K. J.; Willett, G. D. Int. J. Mass Spectrom. 2000, 197, 95
36. Jackson, P.; Fisher, K. J.; Willett, G. D. Chem. Phys. 2000, 262, 179
37. Fielicke, A.; Meijer, G.; von Helden, G. Eur. Phys. J. D 2003, 24, 69
38. Molek, K. S.; Jaeger, T. D.; Duncan, M. A. J. Chem. Phys. 2005, 123, 144313
39. Dong, F.; Heinbuch, S.; He, S. G.; Xie, Y.; Rocca, J. J.; Bernstein, E. R. J. Chem. Phys. 2006, 125, 164318
40. Asmis, K. R.; Santambrogio, G.; Brümmer, M.; Sauer, J. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 3122
41. Janssens, E.; Santambrogio, G.; Brümmer, M.; Wöste, L.; Lievens, P.; Sauer, J.; Meijer, G.; Asmis, K. R. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 233401
42. Li, S.; Mirabal, A.; Demuth, J.; Wöste, L.; Siebert, T. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16832
43. Fialko, E. F.; Kikhtenko, A. V.; Goncharov, V. B.; Zamaraev, K. I. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 5772
44. Waters, T.; O'Hair, R. A. J.; Wedd, A. G. J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 3384
45. Wyrwas, R. B.; Yoder, B. L.; Maze, J. T.; Jarrold, C. C. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 2157
46. Mayhall, N. J.; Rothgeb, D. W.; Hossain, E.; Raghavachari, K.; Jarrold, C. C. J. Chem. Phys. 2009, 130, 124313
47. Zhai, H. J.; Kiran, B.; Cui, L. F.; Li, X.; Dixon, D. A.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 16134
48. Huang, X.; Zhai, H. J.; Waters, T.; Li, J.; Wang, L. S. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 657
49. Zhai, H. J.; Döbler, J.; Sauer, J.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13270
50. Zhai, H. J.; Averkiev, B. B.; Zubarev, D. Yu.; Wang, L. S.; Boldyrev, A. I. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 4277
51. Huang, X.; Zhai, H. J.; Kiran, B.; Wang, L. S. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 7251
52. Zhai, H. J.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 3022
53. Zhai, H. J.; Li, S. G.; Dixon, D. A.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 5167
54. Zubarev, D. Yu.; Averkiev, B. B.; Zhai, H. J.; Wang, L. S.; Boldyrev, A. I. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 257
55. Zhai, H. J.; Wang, L. S. Chem. Phys. Lett. 2010, 500, 185
56. Zhai, H. J.; Wang, B.; Huang, X.; Wang, L. S. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 3866
57. Zhai, H. J.; Wang, B.; Huang, X.; Wang, L. S. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 9804
58. Chen, W. J.; Zhai, H. J.; Zhang, Y. F.; Huang, X.; Wang, L. S. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 5958
59. Böhme, D. K.; Schwarz, H. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 2336
60. Song, L.; Eychmuller, A.; St. Pierre, R. J.; El-Sayed, M. A. J. Phys. Chem. 1989, 93, 2485
61. Athanassenas, K.; Kreisle, D.; Collings, B. A.; Rayner, D. M.; Hackett, P. A. Chem. Phys. Lett. 1993, 213, 105
62. Yang, D. S.; Zgierski, M. Z.; Rayner, D. M.; Hackett, P. A.; Martinez, A.; Salahub, D. R.; Roy, P. N.; Carrington, T., Jr. J. Chem. Phys. 1995, 103, 5335
63. Green, S. M. E.; Alex, S.; Fleischer, N. L.; Millam, E. L.; Marcy, T. P.; Leopold, D. G. J. Chem. Phys. 2001, 114, 2653
64. Zheng, W. J.; Li, X.; Eustis, S.; Bowen, K. Chem. Phys. Lett. 2008, 460, 68
65. Sambrano, J. R.; Andres, J.; Beltran, A.; Sensato, F.; Longo, E. Chem. Phys. Lett. 1998, 287, 620
66. Martinez, A.; Calaminici, P.; Koster, A. M.; Salahub, D. R. J. Chem. Phys. 2001, 114, 819
67. Calaminici, P.; Flores-Moreno, R.; Koster, A. M. J. Chem. Phys. 2004, 121, 3558
68. Wu, Z. J.; Kawazoe, Y.; Meng, J. J. Mol. Struct. (THEOCHEM) 2006, 764, 123
69. Wang, L. S.; Cheng, H. S.; Fan, J. J. Chem. Phys. 1995, 102, 9480
70. Wang, L. S.; Wu, H. In Advances in Metal and Semiconductor Clusters; Duncan, M. A., Ed.; JAI Press: Greenwich, CT, 1998; Vol. 4, Cluster Materials, pp 299 - 343.
71. Wang, L. S.; Li, X. In Cluster and Nanostructure Interfaces; Jena, P.; Khanna, S. N.; Rao, B. K., Eds.; World Scientific: River Edge, NJ, 2000; pp 293 - 300.
72. Akola, J.; Manninen, M.; Hakkinen, H.; Landman, U.; Li, X.; Wang, L. S. Phys. Rev. B 1999, 60, R11297
73. Wang, L. S.; Li, X.; Zhang, H. F. Chem. Phys. 2000, 262, 53
74. Zhai, H. J.; Wang, L. S.; Alexandrova, A. N.; Boldyrev, A. I. J. Chem. Phys. 2002, 117, 7917
75. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 1372
76. Lee, C.; Yang, W.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785
77. Stephens, P. J.; Devlin, F. J.; Chabalowski, C. F.; Frisch, M. J. J. Phys. Chem. 1994, 98, 11623
78. Andrae, D.; Haeussermann, U.; Dolg, M.; Stoll, H.; Preuss, H. Theor. Chim. Acta 1990, 77, 123
79. Küchle, W.; Dolg, M.; Stoll, H.; Preuss, H. Pseudopotentials of the Stuttgart/Dresden Group 1998, revision August 11, 1998; http://www.theochem.uni- stuttgart.de/pseudopotentiale.
80. Martin, J. M. L.; Sundermann, A. J. Chem. Phys. 2001, 114, 3408
81. Dunning, T. H., Jr. J. Chem. Phys. 1989, 90, 1007
82. Kendall, R. A.; Dunning, T. H., Jr.; Harrison, R. J. J. Chem. Phys. 1992, 96, 6796
83. Tozer, D. J.; Handy, N. C. J. Chem. Phys. 1998, 109, 10180
84. Purvis, G. D., III; Bartlett, R. J. J. Chem. Phys. 1982, 76, 1910
85. Scuseria, G. E.; Janssen, C. L.; Schaefer, H. F., III. J. Chem. Phys. 1988, 89, 7382
86. Raghavachari, K.; Trucks, G. W.; Pople, J. A.; Head-Gordon, M. Chem. Phys. Lett. 1989, 157, 479
87. Watts, J. D.; Gauss, J.; Bartlett, R. J. J. Chem. Phys. 1993, 98, 8718
88. Bartlett, R. J.; Musial, M. Rev. Mod. Phys. 2007, 79, 291
89. Becke, A. D. Phys. Rev. A 1988, 38, 3098
90. Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 33, 8822
91. Burke, K.; Perdew, J. P.; Wang, Y. In Electronic Density Functional Theory: Recent Progress and New Directions; Dobson, J. F.; Vignale, G.; Das, M. P., Eds.; Plenum: New York, 1998.
92. Perdew, J. P.; Wang, Y. Phys. Rev. B 1992, 45, 13244
93. Frisch, M. J.; Gaussian 03, revision D.01; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2004.
94. Werner, H.-J.; Knowles, P. J.; Lindh, R.; Manby, F. R.; Schütz, M.; MOLPRO, version 2010.1, a package of ab initio programs; See http://www.molpro.net.
95. Rienstra-Kiracofe, J. C.; Tschumper, G. S.; Schaefer., H. F.; Nandi, S.; Ellison, G. B. Chem. Rev. 2002, 102, 231
96. Gutsev, G. L.; Boldyrev, A. I. Adv. Chem. Phys. 1985, 61, 169
97. Pyykkö, P. Chem. Rev. 1988, 88, 563
98. Zhai, H. J.; Wang, L. S. J. Chem. Phys. 2002, 117, 7882
99. Duffy, M. T.; Wang, C. C.; Waxman, A.; Zaininger, K. H. J. Electrochem. Soc. 1969, 116, 234
100. Yoshimura, K.; Miki, T.; Iwama, S.; Tanemura, S. Thin Solid Films 1996, 281, 235
101. Khawaja, E. E.; Tomlin, S. G. Thin Solid Films 1975, 30, 361
102. Tepehan, F. Z.; Ghodsi, F. E.; Ozer, N.; Tepehan, G. G. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1997, 46, 311
103. Ghodsi, F. E.; Tepehan, F. Z. Sol. Energy Mater. Sol. Cells 1999, 59, 367
104. Afanas'ev, V. V.; Stesmans, A.; Zhao, C.; Caymax, M.; Rittersma, Z. M.; Maes, J. W. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 072108
105. Luo, Y. R. In CRC Handbook of Chemistry and Physics, 91 st ed; Haynes, W. M., Ed.; CRC Press: Boca Raton, FL, 2010.
106. 2, correlating well with the unique catalytic properties of Nb (Ta) oxides. (5-9)
107. Li, S. G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 6231
108. Li, S. G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 11093
109. Li, S. G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 11908
110. Li, S. G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 6646
111. Li, S. G.; Zhai, H. J.; Wang, L. S.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 11273
112. Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 10757