Ab initio molecular dynamics study of the AlOOH boehmite/water interface: Role of steps in interfacial grotthus proton transfers

Journal of Physical Chemistry C

Volumn 116, Issue 23, 2012, Pages 12514-12524

  Motta, A ^a   Gaigeot, M P ^b,c   Costa, D ^d  

^a UNIVERSITY OF CATANIA   (Italy)

^b UNIVERSITÉ D EVRY VAL D ESSONNE   (France)

^c INSTITUT UNIVERSITAIRE DE FRANCE   (France)

^d PSL RESEARCH UNIVERSITY   (France)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

AB INITIO MOLECULAR DYNAMICS; ACID-BASE REACTIONS; ALOOH; BIOLOGICAL PROCESS; EXPLICIT SOLVENTS; GROTTHUS MECHANISMS; INTERFACIAL WATER MOLECULES; METAL OXIDES; MOLECULAR LEVELS; OH GROUP; PK VALUES; PREBIOTIC CHEMISTRY; SPECIFIC ORIENTATION; STEP EDGE; STEPPED SURFACES;

BIOCOMPATIBILITY; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; PROTON TRANSFER; REACTION KINETICS;

MOLECULAR DYNAMICS;

EID: 84862304208     PISSN: 19327447     EISSN: 19327455     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jp3000812     Document Type: Article

References (143)

1. Brown, G. E.; Henrich, V. E.; Casey, W. H.; Clark, D. L.; Eggleston, C.; Felmy, A.; Goodman, D. W.; Gratzel, M.; Maciel, G.; McCarthy, M. I.; Nealson, K. H.; Sverjensky, D. A.; Toney, M. F.; Zachara, J. M. Chem. Rev. 1999, 99, 77
2. Michaelides, A.; Morgenstern, K. Nat. Mater. 2007, 6, 597
3. Wandelt, K.; Thurgate, S. Solid-Liquid interfaces: macroscopic phenomena-Microscopic understanding; Springer-Verlag: Berlin, 2003.
4. Diebold, U. Nat. Mater. 2010, 9, 185
5. Maccarini, M. Biointerphases 2007, 2
6. Kunze, J.; Maurice, V.; Klein, L. H.; Strehblow, H. H.; Marcus, P. Corros. Sci. 2004, 46, 245
7. Lambert, J.-F. Geochim. Cosmochim. Acta 2010, 74, A557-A557
8. Pradier, C. M.; Bertrand, P.; Bellon-Fontaine, M. N.; Compere, C.; Costa, D.; Marcus, P.; Poleunis, C.; Rondot, B.; Walls, M. G. Surf. Interface Anal. 2000, 30, 45
9. Pradier, C. M.; Costa, D.; Rubio, C.; Compere, C.; Marcus, P. Surf. Interface Anal. 2002, 34, 50
10. Kasprzyk-Hordern, B.; Ziolek, M; Nawrocki, J. Appl. Catal. B, Environ. 2003, 46, 639
11. Hiemstra, T.; Dewit, J. C. M.; Van Riemsdijk, W. H. J. Colloid Interface Sci. 1989, 133, 105
12. Hiemstra, T.; Van Riemsdijk, W. H. J. Colloid Interface Sci. 1996, 179, 488
13. Geissbuhler, P.; Fenter, P.; DiMasi, E; Srajer, G.; Sorensen, L. B.; Sturchio, N. C. Surf. Sci. 2004, 573, 191
14. Kumar, N.; Neogi, S.; Kent, P.; Bandura, A. V.; Kubicki, J.; Wesolowski, D.; Cole, D.; Sofo, J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 13732
15. Strongin, D. R.; Grey, C. P.; Parise, J. B.; Kubicki, J. D. Surf. Sci. 2010, 604, 1065
16. Hiasa, T.; Kimura, K.; Onishi, H.; Ohta, M.; Watanabe, K.; Kokawa, R.; Oyabu, N; Kobayashi, K; Yamada, H J. Phys. Chem. C 2010, 114, 21423
17. Ghose, S. K.; Waychunas, G. A.; Trainor, T. P.; Eng, P. J. Geochim. Cosmochim. Acta 2010, 74, 1943
18. Rustad, J. R.; Felmy, A. R.; Hay, B. P. Geochim. Cosmochim. Acta 1996, 60, 1563
19. Sverjensky, D. A.; Fukushi, K. Environ. Sci. Technol. 2006, 40, 263
20. Jeffrey, Y.; Xuchuan, J.; Aibing, Y. Solid State Sci. 2011, 13, 263
21. Machesky, M.; Wesolowski, D.; Rosenqvist, J.; Predota, M.; Vlcek, L.; Ridley, M.; Kohli, V.; Hang, Z.; Fenter, P.; Cummings, P. T.; Lvov, S.; Fedkin, M.; Rodriguez-Santiago, V.; Kubicki, J.; Bandura, A. Langmuir 2011, 27, 4585
22. Ross, N. L.; Spencer, E. C.; Levchenko, A. A.; Kolesnikov, A. I.; Wesolowski, D. J.; Cole, D. R.; Mamontov, E.; Vlcek, L. In Neutron Applications In Earth, Energy And Environmental Sciences; Liang, L.; Rinaldi, R.; Schober, H., Eds.; Book Series: Neutron Scattering Applications and Techniques; Springer: New York, 2009; pp 235-256.
23. Mamontov, E.; Vlcek, L.; Wesolowski, D. J. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 4328
24. Predota, M; Zhang, Z; Fenter, P J. Phys. Chem. B 2004, 108, 12061
25. Panagiotou, G. D.; Petsi, T.; Bourikas, K.; Garoufalis, C. S.; Tsevis, A.; Spanos, N.; Kordulis, C.; Lycourghiotis, A. Adv. Colloid Interface Sci. 2008, 142, 20
26. Mahadevan, T. S.; Garofalini, S. H. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 1507
27. Argyris, D.; Tummala, N. R.; Striolo, A.; Cole, D. R. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 13587
28. Argyris, D.; Cole, D. R.; Striolo, A. Langmuir 2009, 25, 8025
29. Argyris, D.; Cole, D. R.; Striolo, A. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 19591
30. Fogarty, J. C.; Aktulga, H. M.; Grama, A. Y.; van Duin, A. C. T.; Pandit, S. A. J. Chem. Phys. 2010, 132, 174704
31. Cole, D. J.; Payne, M. C.; Csányi, G.; Spearing, S. M.; Ciacchi, L. C. J. Chem. Phys. 2007, 127, 204704
32. Butenuth, A.; Moras, G.; Schneider, J.; Koleini, M.; Koppen, S.; Meißner, R.; Wright, L B.; Walsh, T R.; Ciacchi, L C. Phys. Status Solidi B 2012, 249 (2) 292
33. Hassanali, A. A.; Singer, S. J. J. Comput.-Aided Mater. Des. 2007, 14, 53
34. Floess, J. K.; Murad, S. Chem. Phys. Lett. 2011, 516, 216
35. Leed, E. A.; Pantano, C. G. J. Non-Cryst. Solid 2003, 325, 48
36. Rosenqvist, J.; Machesky, M. L.; Vlcek, L.; Cummings, P. T.; Wesolowski, D. J.; David, J. Langmuir 2009, 25, 10852
37. Wang, J. W.; Kalinichev, A. G.; Kirkpatrick, R. J. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 11077
38. Kerisit, S.; Liu, C. X.; Ilton, E. S. Geochim. Cosmochim. Acta 2008, 72, 1481
39. Criscenti, L. J.; Cygan, R. T.; Kooser, A. S.; Moffat, H. K. Chem. Mater. 2008, 20, 4682
40. Argyris, D.; Ho, T.; Cole, D. R.; Striolo, A. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 2038
41. Kerisit, S.; Ilton, E. S.; Parker, S. C. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 20491
42. Predota, M.; Zhang, Z.; Fenter, P.; Wesolowski, D. J.; Cummings, P. T. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 12061
43. Parker, S. C.; Kerisit, S.; Marmier, A.; Grigoleit, S.; Watson, G. W. Faraday Discuss. 2003, 124, 155
44. de Leeuw, N. H.; Parker, S. C. J. Am. Ceram. Soc. 1999, 82, 3209
45. Cooke, D. J.; Redfern, S. E.; Parker, S. C. Phys. Chem. Miner. 2004, 31, 507
46. Raymand, D.; van Duin, A. C.T.; Goddard, W. A., III; Hermansson, K.; Spångberg, D. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 8573
47. Hordern, B. K. Adv. Colloid Interface Sci. 2004, 110, 19
48. Laasonen, K.; Sprik, M.; Parrinello, M.; Car, R J. Chem. Phys. 1993, 99, 9080
49. Silvestrelli, P. L.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 1999, 111, 3572
50. van Erp, T. S.; Meijer, E. J. Chem. Phys. Lett. 2001, 333, 290
51. Gaigeot, M. P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 3336
52. Gaigeot, M. P.; Sprik, M. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 10344
53. Tuckerman, M.; Laasonen, K.; Sprik, M.; Parrinello, M. J. Chem. Phys. 1995, 103, 150
54. Gaigeot, M. P.; Cimas, A.; Seydou, M.; Kim, J. Y.; Lee, S.; Schermann, J. P. J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 18067
55. Sulpizi, M.; Sprik, M. J. Phys.: Condens. Matter 2010, 22, 284116
56. Mangold, M.; Rolland, L.; Costanzo, F.; Sprik, M.; Sulpizi, M.; Blumberger, J. J. Chem. Theory. Comput. 2011, 7, 1951
57. Gaigeot, M. P.; Sprik, M.; Sulpizi, M. J. Phys.: Condens. Matter 2012, 24, 124106
58. Sulpizi, M.; Gaigeot, M. P.; Sprik, M. J. Chem. Theory Comput. 2012, 8, 1037
59. Costa, D.; Chizallet, C.; Ealet, B.; Goniakowski, J.; Finocchi, F. J. Chem. Phys. 2006, 125, 054702
60. Vittadini, A.; Casarin, M.; Selloni, A. Theor. Chem. Acc. 2007, 117, 663
61. Costa, D.; Sharkas, K.; Islam, M. M.; Marcus, P. Surf. Sci. 2009, 603, 2484
62. Toulhoat, H.; Digne, M.; Arrouvel, C.; Raybaud, P. Oil Gas Sci. Technol. 2005, 60, 417
63. Digne, M.; Sautet, P.; Raybaud, P.; Euzen, P.; Toulhoat, H. J. Catal. 2004, 226, 54
64. Marmier, A.; Parker, S. C. Phys. Rev. B 2004, 69, 115409
65. Arrouvel, C.; Digne, M; Breysse, M.; Toulhoat, H.; Raybaud, P J. Catal. 2004, 222, 152
66. Korhonen, S. T.; Calatayud, M.; Krause, A.; Outi, I. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 6469
67. Arrouvel, C.; Diawara, B.; Costa, D.; Marcus, P. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 18164
68. Islam, M. M.; Costa, D.; Calatayud, M.; Tielens, F. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 10740
69. Tougerti, A.; Methivier, C.; Cristol, S.; Tielens, F.; Che, M.; Carrier, X. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 6531
70. Tosoni, S.; Civalleri, B.; Ugliengo, P. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 19984
71. Ugliengo, P.; Sodupe, M.; Musso, F; Bush, I. J.; Orlando, R; Dovesi, R. Adv. Mater. 2008, 20, 4579
72. Musso, F.; Sodupe, M.; Corno, M.; Ugliengo, P. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 17876
73. Digne, M.; Sautet, P.; Raybaud, P.; Euzen, P.; Toulhoat J. Catal. 2002, 211, 1
74. Stievano, L.; Piao, L. Y.; Lopes, I.; Meng, M.; Costa, D.; Lambert, J.-F. Eur. J. Miner. 2007, 19, 321
75. Costa, D.; Tougerti, A.; Tielens, F.; Gervais, C.; Stievano, L.; Lambert, J. F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6360
76. Aodziana, Z.; Nørskov, J. K.; Stoltze, P. J. Chem. Phys. 2003, 118, 11179
77. Hass, K. C.; Schneider, W. F.; Curioni, A.; Andreoni, W. J. Phys. Chem. B 2000, 104, 5527
78. Hass, K. C.; Schneider, W. F.; Curioni, A.; Andreoni, W. Science 1998, 282, 265
79. Aboud, S.; Wilcox, J.; Brown, G. E., Jr. Phys. Rev. B 2011, 83, 125407
80. Ranea, V A.; Schneider, W F.; Carmichael, I Surf. Sci. 2008, 602, 268
81. Ranea, V A.; Carmichael, I.; Schneider, W. F. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 2149
82. Leung, K.; Nielsen, I. M. B.; Criscenti, L. J. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 18358
83. Jonsson, E. O.; Thygesen, K. S.; Ulstrup, J.; Jacobsen, K. W. J. Phys. Chem. B 2011, 115, 9410
84. Raybaud, P.; Digne, M.; Iftimie, R.; Wellens, W.; Euzen, P.; Toulhoat, H. J. Catal. 2001, 201, 236
85. Adeagbo, W. A.; Doltsinis, N. L.; Klevakina, K.; Renner, J. ChemPhysChem 2008, 9, 994
86. Zhao, Y. L.; Koeppen, S.; Frauenheim, T. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 9615
87. Riganese, G. M.; de Vita, A.; Charlier, J. C.; Gonze, X.; Car, R. Phys. Chem. Chem. Phys. 2004, 6, 1920
88. Cheng, J.; Sprik, M. J. Chem. Theory Comput. 2010, 6, 880
89. Digne, M.; Sautet, P.; Raybaud, P.; Toulhoat, H.; Artacho, E. J. Phys. Chem. B 2002, 106, 5155
90. Peryea, F. J.; Kittrick, J. A. Clays Clay Miner. 1988, 36, 391
91. Mercuri, F.; Costa, D.; Marcus, P. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 5228
92. Königsberger, E.; Königsberger, L.; Ilievski, D. Hydrometallurgy 2011, 110, 33
93. Alexandera, M. R.; Beamsonb, G.; Blomfieldc, C. J.; Leggettd, G.; Duc, T. M. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 2001, 121, 19
94. van den Brand, J.; Blajiev, O.; Beentjes, P. C. J.; Terryn, H.; de Wit, J. H. W. Langmuir 2004, 20, 6308-6317
95. van den Brand, J.; Sloof, W. G.; Terryn, H.; de Wit, J. H. W. Surf. Interface Anal. 2004, 36, 81
96. van den Brand, J.; Snijders, P. C.; Sloof, W. G.; Terryn, H.; de Wit, J. H. W. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 6017
97. Maurice, V.; Bennour, I.; Zanna, S.; Klein, L. H.; Marcus, P. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 7132
98. Chroneos, A.; Ashley, NJ.; Desai, K. H.; Maguire, J. F.; Grimes, R. W. J. Mater. Sci. 2007, 42, 2024
99. Chiche, D.; Chizallet, C.; Durupthy, O.; Channeac, C.; Revel, R.; Raybaud, P.; Jolivet, J.-P. Phys. Chem. Chem. Phys. 2009, 11, 11310
100. Tunega, D; Pasalic, H; Gerzabek, M. H.; Lischka, H. J. Phys.: Condens. Matter 2011, 23, 404201
101. Demichelis, R.; Noel, Y.; Ugliengo, P.; Zicovich-Wilson, C. M.; Dovesi, R. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 13107
102. Perdew, J. P.; Burke, K.; Ernzerhof, M. Phys. Rev. Lett. 1997, 78, 1396
103. Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B 1994, 49, 14251
104. Kresse, G.; Furthmuller, J. Comput. Mater. Sci. 1996, 6, 15
105. Kresse, G.; Joubert, J. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758
106. Blöchl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50, 17953
107. Monkhorst, H. J.; Pack, J. D. Phys. Rev. 1976, 13, 5188
108. Grimme, S. J. Comput. Chem. 2006, 27, 1787
109. Chakarova-Kack, S. D.; Borck, O.; Schroder, E.; Lundqvist, B. I. Phys. Rev. B 2006, 74, 155402
110. Wei, C.; Tegenkamp, C.; Pfnur, H.; Bredow, T. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 460
111. Tkatchenko, A.; Romaner, L.; Hofmann, O. T.; Zojer, E.; Ambrosch-Draxl, C.; Scheffler, M. MRS Bull. 2010, 35, 435
112. Grimme, S.; Antony, J.; Ehrlich, S.; Krieg, H. J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104
113. Costa, D.; Garrain, P-A.; Diawara, B.; Marcus, P. Langmuir 2011, 27, 2747
114. Di Valentin, C.; Costa, D. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 2819
115. Islam, M. M.; Diawara, B.; Marcus, P.; Costa, D. Catal. Today 2011, 177, 39
116. Torres, E; Blumenau, A. T.; Biedermann, P. U.; Ulrich, P. ChemPhysChem 2011, 12, 999
117. Abufager, P. N.; Solano Canchaya, J. G.; Wang, Y.; Alcami, M.; Martin, F.; Alvarez Soria, L.; Martiarena, M. L.; Reuter, K.; Busnengo, H. F. Phys. Chem. Chem. Phys. 2011, 13, 9353
118. Thierfelder, C.; Witte, M.; Blankenburg, S.; Rauls, E.; Schmidt, W. G. Surf. Sci. 2011, 605, 746
119. Gomes, J. R. B.; Ramalho, J. P.; Illas, F. Surf. Sci. 2010, 604, 428
120. Chakarova-Kack, S. D.; Borck, O.; Schroder, E.; Lundqvist, B. I. Phys. Rev. B 2006, 74, 155402
121. Wei, C.; Tegenkamp, C.; Pfnur, H.; Bredow, T. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 460
122. Tkatchenko, A.; Romaner, L.; Hofmann, O. T.; Zojer, E.; Ambrosch-Draxl, C.; Scheffler, M. MRS Bull. 2010, 35, 435
123. The CP2K developers group. http://cp2k.berlios.de/ 2001.
124. Goedecker, S.; Teter, M.; Hutter, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 1703
125. Corbato, C. E.; Tettenhorst, R. T.; Cristoph, G. G. Clays Clay Miner. 1985, 33, 71
126. Jolivet, J. P.; Froidefond, C.; Pottier, A.; Chaneac, C.; Cassaignon, S.; Tronc, E.; Euzen, P. J. Mater. Chem. 2004, 14, 3281
127. Froidefond, C. PhD thesis, UPMC, 2002.
128. Bogdanova, N. F.; Klebanov, A. V.; Ermakova, L. E.; Sidorova, M. P. Colloid J. 2002, 64, 389
129. Ostroverkhov, V.; Waychunas, G. A.; Shen, Y. R. Phys. Rev. Lett. 2005, 94, 046102
130. Ong, S.; Zhao, X.; Eisenthal, K. B. Chem. Phys. Lett. 1992, 191, 327
131. Leydier, F.; Chizallet, C.; Chaumonnot, A.; Digne, M.; Soyer, E.; Quoineaud, A. A.; Costa, D.; Raybaud, P. J. Catal. 2011, 284, 215
132. Duchateau, R.; Dijkstra, T. W.; van Santen, R. A.; Yap, G. P. Chem.-Eur. J. 2004, 10, 3979
133. Dijkstra, T. W.; Duchateau, R.; van Santen, R. A.; Meetsma, A.; Yap, G. P. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 9856
134. Adekola, F.; Fédoroff, M.; Geckeis, H.; Kupcik, T.; Lefèvre, G.; Lützenkirchen, J.; Plaschke, M.; Preocanin, T.; Rabung, T.; Schild, D. J. Coll. Interf. Science 354 (2011) 306.
135. Sulpizi, M.; Sprik, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 5238
136. Cheng, J.; Sulpizi, M.; Sprik, M. J. Chem. Phys. 2009, 131, 154504
137. Costanzo, F.; Sulpizi, M.; Valle, R.; Sprik, M. J. Chem. Phys. 2011, 134, 244508
138. Cukiermann, S. Biochim. Biophys. Acta 2006, 1757, 876
139. Mintova, S.; Bein, T. Microporous Mesoporous Mater. 2001, 50, 159
140. Heberle, J. Biophys. J. 2004, 87, 2105
141. Grigore, L.; Petty, M. C. J. Mater. Sci. 2003, 14, 389
142. Mulkidjanian, A. Y.; Heberle, J.; Cherepanov, D. A. Biochim. Biophys. Acta, Bioenerg. 2006, 1757, 913
143. Vassilev, P.; Koper, M. T. M.; van Santen, R. A. Chem. Phys. Lett. 2002, 359, 337