State-of-the-art and challenges in theoretical simulations of heterogeneous catalysis at the microscopic level

Catalysis Science and Technology

Volumn 2, Issue 12, 2012, Pages 2405-2417

  López, Núria ^a   Almora Barrios, Neyvis ^a   Carchini, Giuliano ^a   Błoński, Piotr ^a   Bellarosa, Luca ^a   García Muelas, Rodrigo ^a   Novell Leruth, Gerard ^b   García Mota, Mónica ^c  

^a INSTITUTE OF CHEMICAL RESEARCH OF CATALONIA ICIQ   (Spain)

^b UNIVERSITY OF AVEIRO   (Portugal)

^c Stanford University   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CATALYTIC MATERIALS; HETEROGENEOUS CATALYST; LATEST DEVELOPMENT; LONG TERM STABILITY; MICROSCOPIC LEVELS; THEORETICAL SIMULATION;

CATALYSIS;

EID: 84868705086     PISSN: 20444753     EISSN: 20444761     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c2cy20384g     Document Type: Review

References (161)

1. D. G. Vlachos AIChE J. 2012 58 1314 1325
2. M. Salciccioli M. Stamatakis S. Caratzoulas D. G. Vlachos Chem. Eng. Sci. 2011 66 4319 4355
3. E. A. Carter Science 2008 321 800 803
4. J. K. Norskov T. Bligaard B. Hvolbaek F. Abild-Pedersen I. Chorkendorff C. H. Christensen Chem. Soc. Rev. 2008 37 2163 2171
5. J. K. Norskov T. Bligaard J. Rossmeisl C. H. Christensen Nat. Chem. 2009 1 37 46
6. M. K. Sabbe M.-F. Reyniers K. Reuter Catal. Sci. Technol. 2012 10.1039/c2cy20261a
7. J. Hafner J. Comput. Chem. 2008 29 2044 2078
8. V. E. Van Doren, C. Van Alsenoy and P. Geerlings, Density functional theory and its application to materials: Antwerp, Belgium, 8-10 June 2000, American Institute of Physics, Melville, N.Y., 2001
9. W. Kohn L. J. Sham Phys. Rev. 1965 140 1133 1135
10. D. M. Ceperley B. J. Alder Phys. Rev. Lett. 1980 45 566 569
11. P. Haas F. Tran P. Blaha Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2009 79 085104
12. J. L. F. Da Silva C. Stampfl M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2003 90 066104
13. G. R. Darling S. Holloway Rep. Prog. Phys. 1995 58 1595 1672
14. D. C. Langreth M. J. Mehl Phys. Rev. Lett. 1981 47 446 450
15. D. C. Langreth M. J. Mehl Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1983 28 1809 1834
16. B. Hammer L. B. Hansen J. K. Norskov Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1999 59 7413 7421
17. K. Honkala A. Hellman I. N. Remediakis A. Logadottir A. Carlsson S. Dahl C. H. Christensen J. K. Norskov Science 2005 307 555 558
18. J. P. Perdew J. A. Chevary S. H. Vosko K. A. Jackson M. R. Pederson D. J. Singh C. Fiolhais Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1992 46 6671 6687
19. J. P. Perdew K. Burke M. Ernzerhof Phys. Rev. Lett. 1996 77 3865 3868
20. J. P. Perdew A. Ruzsinszky G. I. Csonka O. A. Vydrov G. E. Scuseria L. A. Constantin X. L. Zhou K. Burke Phys. Rev. Lett. 2008 100 136406
21. R. Armiento A. E. Mattsson Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005 72 085108
22. Z. G. Wu R. E. Cohen Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 73 235116
23. R. W. Godby M. Schluter L. J. Sham Phys. Rev. Lett. 1986 56 2415 2418
24. P. Rinke A. Qteish J. Neugebauer C. Freysoldt M. Scheffler New J. Phys. 2005 7 126
25. A. K. Kelkkanen B. I. Lundqvist J. K. Norskov J. Chem. Phys. 2009 131 046102
26. J. L. F. Da Silva M. V. Ganduglia-Pirovano J. Sauer V. Bayer G. Kresse Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2007 75 045121
27. J. P. Perdew S. Kurth A. Zupan P. Blaha Phys. Rev. Lett. 1999 82 2544 2547
28. E. G. Moroni G. Kresse J. Hafner J. Furthmuller Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1997 56 15629 15646
29. A. D. Becke J. Chem. Phys. 1993 98 5648 5652
30. P. J. Stephens F. J. Devlin C. F. Chabalowski M. J. Frisch J. Phys. Chem. 1994 98 11623 11627
31. J. Paier R. Hirschl M. Marsman G. Kresse J. Chem. Phys. 2005 122 234102
32. J. Paier M. Marsman G. Kresse J. Chem. Phys. 2007 127 024103
33. C. Adamo V. Barone J. Chem. Phys. 1999 110 6158 6170
34. J. Heyd G. E. Scuseria M. Ernzerhof J. Chem. Phys. 2003 118 8207 8215
35. C. Franchini V. Bayer R. Podloucky J. Paier G. Kresse Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005 72 045132
36. C. Franchini R. Podloucky J. Paier M. Marsman G. Kresse Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2007 75 195128
37. A. Kiejna G. Kresse J. Rogal A. De Sarkar K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 73 035404
38. A. Stroppa G. Kresse New J. Phys. 2008 10 063020
39. J. Harl G. Kresse Phys. Rev. Lett. 2009 103 056401
40. M. Dion H. Rydberg E. Schroder D. C. Langreth B. I. Lundqvist Phys. Rev. Lett. 2004 92 246401
41. K. Lee E. D. Murray L. Z. Kong B. I. Lundqvist D. C. Langreth Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2010 82 081101
42. S. Grimme J. Comput. Chem. 2006 27 1787 1799
43. S. Grimme J. Antony S. Ehrlich H. Krieg J. Chem. Phys. 2010 132 154104
44. F. London Trans. Faraday Soc. 1937 33 8b 26
45. T. Bučko J. Hafner S. Lebegue J. G. Angyan J. Phys. Chem. A 2010 114 11814 11824
46. V. G. Ruiz W. Liu E. Zojer M. Scheffler A. Tkatchenko Phys. Rev. Lett. 2012 108 146103
47. G. X. Zhang A. Tkatchenko J. Paier H. Appel M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2011 107 245501
48. P. Błoński N. Lopez J. Phys. Chem. C 2012 116 15484 15492
49. J. Hafner J. Phys.: Condens. Matter 2010 22 384205
50. Z. Łodziana G. Stoica J. Pérez-Ramírez Inorg. Chem. 2011 50 2590 2598
51. R. Grau-Crespo and U. V. Waghmare, Molecular Modeling for the Design of Novel Performance Chemicals and Materials, CRC Press, 2012
52. A. Zunger S. H. Wei L. G. Ferreira J. E. Bernard Phys. Rev. Lett. 1990 65 353
53. R. Grau-Crespo S. Hamad C. R. A. Catlow N. H. de Leeuw J. Phys.: Condens. Matter 2007 19 256201
54. R. Grau-Crespo N. H. de Leeuw C. R. A. Catlow Chem. Mater. 2004 16 1954 1960
55. J. Carrasco N. Lopez F. Illas Phys. Rev. Lett. 2004 93 225502
56. R. Grau-Crespo A. Y. Al-Baitai I. Saadoune N. H. De Leeuw J. Phys.: Condens. Matter 2010 22 255401
57. R. Grau-Crespo N. H. De Leeuw S. Hamad U. V. Waghmare Proc. R. Soc. A 2011 467 1925 1938
58. W. G. Wulff Z. Kryst. Miner. 1901 34 449 530
59. I. N. Remediakis and et. al., personal communication
60. S. Dahl A. Logadottir R. C. Egeberg J. H. Larsen I. Chorkendorff E. Tornqvist J. K. Norskov Phys. Rev. Lett. 1999 83 1814 1817
61. N. Lopez T. V. W. Janssens B. S. Clausen Y. Xu M. Mavrikakis T. Bligaard J. K. Norskov J. Catal. 2004 223 232 235
62. N. Lopez C. Vargas-Fuentes Chem. Commun. 2012 48 1379 1391
63. R. T. Vang K. Honkala S. Dahl E. K. Vestergaard J. Schnadt E. Laegsgaard B. S. Clausen J. K. Norskov F. Besenbacher Nat. Mater. 2005 4 160 162
64. J. Kleis J. Greeley N. A. Romero V. A. Morozov H. Falsig A. H. Larsen J. Lu J. J. Mortensen M. Dulak K. S. Thygesen J. K. Norskov K. W. Jacobsen Catal. Lett. 2011 141 1067 1071
65. U. Heiz A. Sanchez S. Abbet W. D. Schneider J. Am. Chem. Soc. 1999 121 3214 3217
66. W. J. Stark S. E. Pratsinis A. Baiker Chimia 2002 56 485 489
67. M. Mavrikakis P. Stoltze J. K. Norskov Catal. Lett. 2000 64 101 106
68. B. Yoon H. Hakkinen U. Landman A. S. Worz J. M. Antonietti S. Abbet K. Judai U. Heiz Science 2005 307 403 407
69. H.-G. Boyen G. Kastle F. Weigl B. Koslowski C. Dietrich P. Ziemann J. P. Spatz S. Riethmüller C. Hartmann M. Moller G. Schmid M. G. Garnier P. Oelhafen Science 2002 297 1533 1536
70. I. N. Remediakis N. Lopez J. K. Norskov Angew. Chem., Int. Ed. 2005 44 1824 1826
71. Z. Łodziana N. Y. Topsoe J. K. Norskov Nat. Mater. 2004 3 289 293
72. M. Digne P. Sautet P. Raybaud P. Euzen H. Toulhoat J. Catal. 2002 211 1 5
73. J. Venables, Introduction to Surface and Thin Film Processes, Cambridge University Press, Cambridge, 2000
74. D. Teschner R. Farra L. D. Yao R. Schlogl H. Soerijanto R. Schomacker T. Schmidt L. Szentmiklosi A. P. Amrute C. Mondelli J. Pérez-Ramírez G. Novell-Leruth N. Lopez J. Catal. 2012 285 273 284
75. M. Calatayud C. Minot J. Phys. Chem. B 2004 108 15679 15685
76. M. V. Ganduglia-Pirovano C. Popa J. Sauer H. Abbott A. Uhl M. Baron D. Stacchiola O. Bondarchuk S. Shaikhutdinov H.-J. Freund J. Am. Chem. Soc. 2010 132 2345 2349
77. P. L. Hansen J. B. Wagner S. Helveg J. R. Rostrup-Nielsen B. S. Clausen H. Topsoe Science 2002 295 2053 2055
78. S. J. Tauster S. C. Fung R. T. K. Baker J. A. Horsley Science 1981 211 1121 1125
79. D. Teschner J. Borsodi A. Wootsch Z. Revay M. Havecker A. Knop-Gericke S. D. Jackson R. Schlogl Science 2008 320 86 89
80. M. Schmid A. Reicho A. Stierle I. Costina J. Klikovits P. Kostelnik O. Dubay G. Kresse J. Gustafson E. Lundgren J. N. Andersen H. Dosch P. Varga Phys. Rev. Lett. 2006 96 146102
81. S. Helveg C. Lopez-Cartes J. Sehested P. L. Hansen B. S. Clausen J. R. Rostrup-Nielsen F. Abild-Pedersen J. K. Norskov Nature 2004 427 426 429
82. M. Garcia-Mota B. Bridier J. Pérez-Ramírez N. Lopez J. Catal. 2010 273 92 102
83. X. G. Wang A. Chaka M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2000 84 3650 3653
84. U. Martinez L. B. Vilhelmsen H. H. Kristoffersen J. Stausholm-Moller B. Hammer Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2011 84 205434
85. N. Lopez J. Gomez-Segura R. P. Marin J. Pérez-Ramírez J. Catal. 2008 255 29 39
86. G. Novell-Leruth, G. Carchini and N. Lopez
87. J. J. Mortensen B. Hammer J. K. Norskov Phys. Rev. Lett. 1998 80 4333 4336
88. J. Gomez-Diaz K. Honkala N. Lopez Surf. Sci. 2010 604 1552 1557
89. M. Garcia-Mota J. Gomez-Diaz G. Novell-Leruth C. Vargas-Fuentes L. Bellarosa B. Bridier J. Pérez-Ramírez N. Lopez Theor. Chem. Acc. 2011 128 663 673
90. G. Henkelman H. Jonsson J. Chem. Phys. 2000 113 9978 9985
91. P. Maragakis S. A. Andreev Y. Brumer D. R. Reichman E. Kaxiras J. Chem. Phys. 2002 117 4651 4658
92. G. Henkelman H. Jonsson J. Chem. Phys. 1999 111 7010 7022
93. H. Falsig B. Hvolbaek I. S. Kristensen T. Jiang T. Bligaard C. H. Christensen J. K. Norskov Angew. Chem., Int. Ed. 2008 47 4835 4839
94. D. Mei P. A. Sheth M. Neurock C. M. Smith J. Catal. 2006 242 1 15
95. J. Andersin N. Lopez K. Honkala J. Phys. Chem. C 2009 113 8278 8286
96. L. Nykanen J. Andersin K. Honkala Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2010 81 075417
97. L. Andrussow Angew. Chem. 1935 48 593 595
98. J. Gomez-Diaz N. Lopez J. Phys. Chem. C 2011 115 5667 5674
99. I. Chorkendorff and J. W. Niemantsverdriet, Concepts of modern catalysis and kinetics, Wiley-VCH, Weinheim, 2003
100. F. Abild-Pedersen J. Greeley F. Studt J. Rossmeisl T. R. Munter P. G. Moses E. Skulason T. Bligaard J. K. Norskov Phys. Rev. Lett. 2007 99 016105
101. A. Vojvodic F. Calle-Vallejo W. Guo S. Wang A. Toftelund F. Studt J. I. Martinez J. Shen I. C. Man J. Rossmeisl T. Bligaard J. K. Norskov F. Abild-Pedersen J. Chem. Phys. 2011 134 244509
102. J. N. Bronsted Chem. Rev. 1928 5 231 338
103. M. G. Evans M. Polanyi Trans. Faraday Soc. 1938 34 11 24
104. T. Bligaard J. K. Norskov S. Dahl J. Matthiesen C. H. Christensen J. Sehested J. Catal. 2004 224 206 217
105. J. K. Norskov T. Bligaard A. Logadottir S. Bahn L. B. Hansen M. Bollinger H. Bengaard B. Hammer Z. Sljivancanin M. Mavrikakis Y. Xu S. Dahl C. J. H. Jacobsen J. Catal. 2002 209 275 278
106. P. W. Atkins and J. de Paula, Atkins' Physical Chemistry, Oxford University Press, London, 8th edn, 2006
107. K. J. Laidler, Chemical kinetics, Pearson Education, 2004
108. K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 73 045433
109. D. Teschner G. Novell-Leruth R. Farra A. Knop-Gericke R. Schlögl L. Szentmiklósi M. González Hevia H. Soerijanto R. Schomäcker J. Pérez-Ramírez N. López Nat. Chem. 2012 10.1038/nchem.1411
110. B. Bridier D. Karhanek J. Pérez-Ramírez N. Lopez ChemCatChem 2012 10.1002/cctc.201200021
111. A. Toftelund, PhD Thesis, DTU, 2012
112. B. Liu J. Greeley J. Phys. Chem. C 2011 115 19702 19709
113. M. Salciccioli D. G. Vlachos J. Phys. Chem. A 2012 116 4621 4628
114. D. Torres N. Lopez F. Illas R. M. Lambert Angew. Chem., Int. Ed. 2007 46 2055 2058
115. W. M. C. Sameera F. Maseras Comput. Mol. Sci. 2012 2 375 385
116. J. Tomasi B. Mennucci R. Cammi Chem. Rev. 2005 105 2999 3093
117. J. A. McCammon M. Karplus Annu. Rev. Phys. Chem. 1980 31 29 45
118. A. Warshel S. T. Russell A. K. Churg Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1984 81 4785 4789
119. C. F. Wong J. A. McCammon J. Am. Chem. Soc. 1986 108 3830 3832
120. W. L. Jorgensen C. Ravimohan J. Chem. Phys. 1985 83 3050 3054
121. W. L. Jorgensen J. K. Buckner J. Phys. Chem. 1987 91 6083 6085
122. D. L. Beveridge F. M. Dicapua Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 1989 18 431 492
123. P. A. Bash U. C. Singh F. K. Brown R. Langridge P. A. Kollman Science 1987 235 574 576
124. A. Warshel M. Levitt J. Mol. Biol. 1976 103 227 249
125. M. V. Bobetic J. A. Barker Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1970 2 4169 4175
126. J. A. Barker R. A. Fisher R. O. Watts Mol. Phys. 1971 21 657 673
127. G. C. Maitland E. B. Smith Mol. Phys. 1971 22 861 868
128. O. Tapia J. Math. Chem. 1992 10 139 181
129. L. Onsager J. Am. Chem. Soc. 1936 58 1486 1493
130. J. G. Kirkwood J. Chem. Phys. 1934 2 351 361
131. M. Cossi V. Barone J. Chem. Phys. 1998 109 6246 6254
132. A. Klamt G. Schuurmann J. Chem. Soc., Perkin Trans. 1993 2 799 805
133. E. Cances B. Mennucci J. Tomasi J. Chem. Phys. 1997 107 3032 3041
134. B. Mennucci E. Cances J. Tomasi J. Phys. Chem. B 1997 101 10506 10517
135. E. Cances B. Mennucci J. Math. Chem. 1998 23 309 326
136. L. Bellarosa S. Calero N. Lopez Phys. Chem. Chem. Phys. 2012 14 7240 7245
137. L. Bellarosa J. M. Castillo-Sánchez T. J. H. Vlugt S. Calero N. Lopez Chem.-Eur. J. 2012
138. X.-Q. Zhang T. T. Trinh R. A. van Santen A. P. J. Jansen J. Am. Chem. Soc. 2011 133 6613 6625
139. J. K. Norskov J. Rossmeisl A. Logadottir L. Lindqvist J. R. Kitchin T. Bligaard H. Jonsson J. Phys. Chem. B 2004 108 17886 17892
140. X.-Q. Gong A. Selloni M. Batzill U. Diebold Nat. Mater. 2006 5 665 670
141. J. Carrasco A. Michaelides M. Forster S. Haq R. Raval A. Hodgson Nat. Mater. 2009 8 427 431
142. J. Andersin P. Parkkinen K. Honkala J. Catal. 2012 290 118 125
143. B. N. Zope D. D. Hibbitts M. Neurock R. J. Davis Science 2010 330 74 78
144. P. J. Feibelman Science 2002 295 99 102
145. J. Carrasco B. Santra J. Klimes A. Michaelides Phys. Rev. Lett. 2011 106 026101
146. K. Tonigold A. Gross J. Comput. Chem. 2012 33 695 701
147. J. S. Hummelshoj F. Abild-Pedersen F. Studt T. Bligaard J. K. Norskov Angew. Chem., Int. Ed. 2012 51 272 274
148. D. Landis J. Hummelshoj S. Nestorov J. Greeley M. Dulak T. Bligaard J. K. Norskov K. Jacobsen Comput. Sci. Eng. 2012 1
149. A. Elsener C. C. M. Samson M. P. Braendle P. Buehlmann H. P. Luethi Chimia 2007 61 165 168
150. J. J. Iglesias, C. Bo, F. Maseras and N. Lopez, www.scipio.iciq.es
151. O. Lopez-Acevedo K. A. Kacprzak J. Akola H. Hakkinen Nat. Chem. 2010 2 329 334
152. J. A. Lopez-Sanchez N. Dimitratos C. Hammond G. L. Brett L. Kesavan S. White P. Miedziak R. Tiruvalam R. L. Jenkins A. F. Carley D. Knight C. J. Kiely G. J. Hutchings Nat. Chem. 2011 3 551 556
153. J. Pérez-Ramírez Nat. Chem. 2012 4 250 251
154. P. Ball Nature 2006 442 500 502
155. M. Haruta Nature 2005 437 1098 1099
156. N. M. Esfandiari S. A. Blum J. Am. Chem. Soc. 2011 133 18145 18147
157. Y. Hou B. L. Abrams P. C. K. Vesborg M. E. Björketun K. Herbst L. Bech A. M. Setti C. D. Damsgaard T. Pedersen O. Hansen J. Rossmeisl S. Dahl J. K. Norskov I. Chorkendorff Nat. Mater. 2011 10 434 438
158. M. Garcia-Mota N. Cabello F. Maseras A. M. Echavarren J. Pérez-Ramírez N. Lopez ChemPhysChem 2008 9 1624 1629
159. I. Serrano M. I. Lopez I. Ferrer A. Poater T. Parella X. Fontrodona M. Sola A. Llobet M. Rodriguez I. Romero Inorg. Chem. 2011 50 6044 6054
160. R. Neumann M. Dahan Nature 1997 388 353 355
161. N. Lopez G. Novell-Leruth Phys. Chem. Chem. Phys. 2010 12 12217 12222