First-principles kinetic modeling in heterogeneous catalysis: An industrial perspective on best-practice, gaps and needs

Catalysis Science and Technology

Volumn 2, Issue 10, 2012, Pages 2010-2024

  Sabbe, Maarten K ^a   Reyniers, Marie Françoise ^a   Reuter, Karsten ^b  

^a GHENT UNIVERSITY   (Belgium)

^b TECHNICAL UNIVERSITY OF MUNICH   (Germany)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CHEMICAL REACTION ENGINEERING; ELECTRONIC STRUCTURE CALCULATIONS; INDUSTRIAL SETTINGS; KINETIC MODELING; KINETIC MODELS;

CATALYSIS; ELECTRONIC STRUCTURE;

CALCULATIONS;

EID: 84870920130     PISSN: 20444753     EISSN: 20444761     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c2cy20261a     Document Type: Review

References (154)

1. K. Reuter D. Frenkel M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2004 93 116105
2. K. Honkala A. Hellman I. N. Remediakis A. Logadottir A. Carlsson S. Dahl C. H. Christensen J. K. Norskov Science 2005 307 555 558
3. M. Saeys M. F. Reyniers M. Neurock G. B. Marin J. Phys. Chem. B 2005 109 2064 2073
4. O. R. Inderwildi S. J. Jenkins D. A. King J. Am. Chem. Soc. 2007 129 1751 1759
5. A. A. Gokhale J. A. Dumesic M. Mavrikakis J. Am. Chem. Soc. 2008 130 1402 1414
6. J. K. Norskov T. Bligaard J. Rossmeisl C. H. Christensen Nat. Chem. 2009 1 37 46
7. B. Temel H. Meskine K. Reuter M. Scheffler H. Metiu J. Chem. Phys. 2007 126 204711
8. L. J. Broadbelt R. Q. Snurr Appl. Catal., A 2000 200 23 46
9. C. J. Cramer, Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, Wiley, Chichester, 2nd edn, 2004
10. R. M. Martin, Electronic-Structure: Basic Theory and Practical Methods, Cambridge University Press, Cambridge, 2004
11. I. Chorkendorff and J. W. Niemantsverdriet, Concepts of Modern Catalysis and Kinetics, Wiley, 2003
12. G. B. Marin and G. S. Yablonsky, Kinetics of Chemical Reactions: Decoding Complexity, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2011
13. Computational methods in catalysis and Materials Science, ed., R. A. Van Santen, and, P. Sautet, Wiley-VCH Verlag, Weinheim, 2009
14. F. J. Keil Top. Curr. Chem. 2012 307 69 108
15. J. K. Norskov T. Bligaard B. Hvolbaek F. Abild-Pedersen I. Chorkendorff C. H. Christensen Chem. Soc. Rev. 2008 37 2163 2171
16. A. Gross, Theoretical Surface Science: A Microscopic Perspective, Springer, Berlin, 2nd edn, 2009
17. Nanocatalysis, ed., U. Heiz, and, U. Landman, Springer, Berlin, 2006
18. T. Gomez E. Florez J. A. Rodriguez F. Illas J. Phys. Chem. C 2011 115 11666 11672
19. C. R. A. Catlow S. A. French A. A. Sokol J. M. Thomas Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A 2005 363 913 936
20. R. A. Van Santen Acc. Chem. Res. 2008 42 57 66
21. Y. Zhang J. Rogal K. Reuter Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 74 125414
22. M. C. Valero P. Raybaud P. Sautet J. Catal. 2007 247 339 355
23. S. T. Marshall J. W. Medlin Surf. Sci. Rep. 2011 66 173 184
24. K. Alexopoulos P. Hejduk M. Witko M. F. Reyniers G. B. Marin J. Phys. Chem. C 2010 114 3115 3130
25. C. H. Hu C. Chizallet C. Mager-Maury M. Corral-Valero P. Sautet H. Toulhoat P. Raybaud J. Catal. 2010 274 99 110
26. T. Fievez P. Geerlings B. M. Weckhuysen F. De Proft ChemPhysChem 2011 12 3281 3290
27. B. T. Teng F. M. Wu W. X. Huang X. D. Wen L. H. Zhao M. F. Luo ChemPhysChem 2012 13 1261 1271
28. R. Wanbayor V. Ruangpornvisuti Appl. Surf. Sci. 2012 258 3298 3301
29. J. Yang C. Q. Lv Y. Guo G. C. Wang J. Chem. Phys. 2012 136 104107
30. C. Zaum M. Rieger K. Reuter K. Morgenstern Phys. Rev. Lett. 2011 107 046101
31. C. Mager-Maury G. Bonnard C. Chizallet P. Sautet P. Raybaud ChemCatChem 2011 3 200 207
32. L. M. Molina B. Hammer Phys. Rev. Lett. 2003 90 206102
33. L. M. Molina B. Hammer Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2004 69 155424
34. B.-T. Teng F.-M. Wu W.-X. Huang X.-D. Wen L.-H. Zhao M.-F. Luo ChemPhysChem 2012 13 1261 1271
35. M. García-Mota J. Gómez-Díaz G. Novell-Leruth C. Vargas-Fuentes L. Bellarosa B. Bridier J. Pérez-Ramírez N. López Theor. Chem. Acc. 2011 128 663 673
36. K. Reuter, C. Stampfl and M. Scheffler, in Handbook of Materials Modeling, Part A: Methods, ed., S. Yip, Springer, Berlin, 2005, pp. 149-194
37. H. Khang C. G. Van de Walle Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2009 80 214109
38. C. G. Van de Walle J. Neugebauer Annu. Rev. Mater. Res. 2006 36 179 198
39. A. Stierle A. M. Molenbroek MRS Bull. 2007 32 1001 1005
40. G. A. Somorjai Y. M. Li Top. Catal. 2010 53 311 325
41. X. Hu Z. Lin Phys. Rev. B: Condens. Matter 1995 52 11467 11470
42. Q. Sun K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter 2003 67 205424
43. R. Wischert C. Copéret F. Delbecq P. Sautet Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 3202 3205
44. P. J. Steynberg J. A. van den Berg W. Janse van Rensburg J. Phys.: Condens. Matter 2008 20 064238
45. V. Balcaen R. Roelant H. Poelman D. Poelman G. B. Marin Catal. Today 2010 157 49 54
46. A. P. Amrute C. Mondelli M. Moser G. Novell-Leruth N. Lopez D. Rosenthal R. Farra M. E. Schuster D. Teschner T. Schmidt J. Perez-Ramirez J. Catal. 2012 286 287 297
47. K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter 2002 65 035406
48. J. Rogal K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2007 98 046101
49. K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter 2003 68 045407
50. K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2003 90 046103
51. D. Loffreda Surf. Sci. 2006 600 2103 2112
52. J. Rogal and K. Reuter, in Experiment, Modeling and Simulation of Gas-Surface Interactions for Reactive Flows in Hypersonic Flights. Educational Notes RTO-EN-AVT-142., RTO, Neuilly-sur-Seine, 2007, p. 2-1-2-18
53. K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 73 045433
54. E. Christoffersen P. Stoltze J. K. Norskov Surf. Sci. 2002 505 200 214
55. J. Greeley M. Mavrikakis Nat. Mater. 2004 3 810 815
56. J. R. Kitchin K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2008 77 075437
57. Y. G. Ma P. B. Balbuena Surf. Sci. 2009 603 349 353
58. A. Zunger, in Statics and Dynamics of Alloy Phase Transformations, ed., P. E. A. Turchy, and, A. Gonis, NATO Advanced Studies Institute, Series B: Physics Plenum, New York, 1994
59. S. Muller J. Phys.: Condens. Matter 2003 15 R1429 R1500
60. B. C. Han A. Van der Ven G. Ceder B. J. Hwang Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2005 72 205409
61. A. V. Ruban H. L. Skriver J. K. Norskov Phys. Rev. B: Condens. Matter 1999 59 15990 16000
62. C. A. Menning J. G. G. Chen J. Chem. Phys. 2009 130 174709
63. J. A. Rodriguez Surf. Sci. Rep. 1996 24 225 287
64. S. Sakong C. Mosch A. Gross Phys. Chem. Chem. Phys. 2007 9 2216 2225
65. J. Luyten C. Creemers Surf. Sci. 2008 602 2491 2495
66. J. P. Perdew K. Schmidt AIP Conf. Proc. 2001 577 1
67. E. A. Carter Science 2008 321 800 803
68. P. J. Feibelman Top. Catal. 2010 53 417 422
69. A. J. Cohen P. Mori-Sanchez W. T. Yang Science 2008 321 792 794
70. A. Kiejna G. Kresse J. Rogal A. De Sarkar K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2006 73 035404
71. B. Hammer L. B. Hansen J. K. Norskov Phys. Rev. B: Condens. Matter 1999 59 7413 7421
72. P. J. Feibelman B. Hammer J. K. Norskov F. Wagner M. Scheffler R. Stumpf R. Watwe J. Dumesic J. Phys. Chem. B 2001 105 4018 4025
73. G. Kresse A. Gil P. Sautet Phys. Rev. B: Condens. Matter 2003 68 073401
74. M. Gajdos A. Eichler J. Hafner J. Phys.: Condens. Matter 2004 16 1141 1164
75. Q. M. Hu K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2007 98 176103
76. S. Kristyan P. Pulay Chem. Phys. Lett. 1994 229 175 180
77. E. R. McNellis J. Meyer K. Reuter Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2009 80 205414
78. B. A. De Moor M. F. Reyniers O. C. Gobin J. A. Lercher G. B. Marin J. Phys. Chem. C 2011 115 1204 1219
79. C. M. Nguyen M. F. Reyniers G. B. Marin Phys. Chem. Chem. Phys. 2010 12 9481 9493
80. C. M. Nguyen M. F. Reyniers G. B. Marin J. Phys. Chem. C 2011 115 8658 8669
81. P. Mori-Sanchez A. J. Cohen W. T. Yang Phys. Rev. Lett. 2008 100 146401
82. J. Paier M. Marsman G. Kresse J. Chem. Phys. 2007 127 024103
83. A. Stroppa G. Kresse New J. Phys. 2008 10 063020
84. S. Grimme J. Comput. Chem. 2004 25 1463 1473
85. S. Grimme J. Antony S. Ehrlich H. Krieg J. Chem. Phys. 2010 132 154104
86. A. Tkatchenko M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2009 102 073005
87. T. Kerber M. Sierka J. Sauer J. Comput. Chem. 2008 29 2088 2097
88. A. Tkatchenko L. Romaner O. T. Hofmann E. Zojer C. Ambrosch-Draxl M. Scheffler MRS Bull. 2010 35 435 442
89. K. Tonigold A. Gross J. Chem. Phys. 2010 132 224701
90. G. Mercurio E. R. McNellis I. Martin S. Hagen F. Leyssner S. Soubatch J. Meyer M. Wolf P. Tegeder F. S. Tautz K. Reuter Phys. Rev. Lett. 2010 104 036102
91. A. G. Ruiz W. Liu E. Zojer M. Scheffler A. Tkatchenko Phys. Rev. Lett. 2012 108 146103
92. H. Rydberg M. Dion N. Jacobson E. Schroder P. Hyldgaard S. I. Simak D. C. Langreth B. I. Lundqvist Phys. Rev. Lett. 2003 91 126402
93. M. Dion H. Rydberg E. Schroder D. C. Langreth B. I. Lundqvist Phys. Rev. Lett. 2004 92 246401
94. P. Nozieres D. Pines Phys. Rev. 1958 111 442 454
95. Y. M. Niquet M. Fuchs X. Gonze Phys. Rev. A: At., Mol., Opt. Phys. 2003 68 032507
96. X. G. Ren P. Rinke M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2009 80 045402
97. L. Schimka J. Harl A. Stroppa A. Gruneis M. Marsman F. Mittendorfer G. Kresse Nat. Mater. 2010 9 741 744
98. J. Greeley T. F. Jaramillo J. Bonde I. B. Chorkendorff J. K. Norskov Nat. Mater. 2006 5 909 913
99. M. Boudart K. Tamaru Catal. Lett. 1991 9 15 22
100. C. T. Campbell Top. Catal. 1994 1 353 366
101. J. A. Dumesic J. Catal. 1999 185 496 505
102. A. Baranski Solid State Ionics 1999 117 123 128
103. C. Stegelmann A. Andreasen C. T. Campbell J. Am. Chem. Soc. 2009 131 13563 13563
104. S. Kozuch J. M. L. Martin ChemPhysChem 2011 12 1413 1418
105. H. Meskine S. Matera M. Scheffler K. Reuter H. Metiu Surf. Sci. 2009 603 1724 1730
106. D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation, Academic Press, San Diego, 2nd edn. 2002
107. P. Hänggi P. Talkner M. Borkovec Rev. Mod. Phys. 1990 62 251 341
108. J. A. Dumesic, D. F. Rudd, L. M. Aparicio, J. E. Rekoske and A. A. Treviño, The Microkinetics of Heterogeneous Catalysis, American Chemical Society, 1998
109. D. W. Blaylock T. Ogura W. H. Green G. J. O. Beran J. Phys. Chem. C 2009 113 4898 4908
110. X. M. Cao R. Burch C. Hardacre P. Hu Catal. Today 2011 165 71 79
111. B. A. De Moor A. Ghysels M. F. Reyniers V. Van Speybroeck M. Waroquier G. B. Marin J. Chem. Theory Comput. 2011 7 1090 1101
112. M. A. N. Santiago M. A. Sanchez-Castillo R. D. Cortright J. A. Dumesic J. Catal. 2000 193 16 28
113. S. Kandoi J. Greeley M. A. Sanchez-Castillo S. T. Evans A. A. Gokhale J. A. Dumesic M. Mavrikakis Top. Catal. 2006 37 17 28
114. M. Maestri K. Reuter Chem. Eng. Sci. 2012 74 296 299
115. E. Shustorovich H. Sellers Surf. Sci. Rep. 1998 31 5 119
116. E. Hansen M. Neurock Surf. Sci. 1999 441 410 424
117. M. Maestri K. Reuter Angew. Chem., Int. Ed. 2011 50 1194 1197
118. A. Logadottir T. H. Rod J. K. Norskov B. Hammer S. Dahl C. J. H. Jacobsen J. Catal. 2001 197 229 231
119. R. A. van Santen M. Neurock S. G. Shetty Chem. Rev. 2010 110 2005 2048
120. J. K. Norskov F. Abild-Pedersen F. Studt T. Bligaard Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2011 108 937 943
121. J. Kua F. Faglioni W. A. Goddard J. Am. Chem. Soc. 2000 122 2309 2321
122. M. Salciccioli Y. Chen D. G. Vlachos J. Phys. Chem. C 2010 114 20155 20166
123. G. F. Froment Catal. Rev. Sci. Eng. 2005 47 83 124
124. E. A. Kotomin and V. N. Kuzovkov, in Comprehensive Chemical Kinetics, ed., R. G. Compton, and, G. Hancock, Elsevier, Amsterdam, 1996, vol. 34, p. 1
125. S. Matera H. Meskine K. Reuter J. Chem. Phys. 2011 134 064713
126. K. Reuter, in Modeling and simulation of heterogeneous catalytic reactions: From the Molecular Process to the Technical System, ed., O. Deutschmann, Wiley-VCH, Weinheim, 2011, pp. 71-112
127. C. W. Gardiner, Handbook of Stochastic Methods, Springer-Verlag, Berlin, 2003
128. T. Jansen, in Computational methods in catalysis and materials science, ed., R. A. Van Santen, and, P. Sautet, Wiley, Weinheim, 2009
129. S. Ovesson A. Bogicevic B. I. Lundqvist Phys. Rev. Lett. 1999 83 2608 2611
130. E. W. Hansen M. Neurock Surf. Sci. 2000 464 91 107
131. E. W. Hansen M. Neurock J. Catal. 2000 196 241 252
132. P. Kratzer M. Scheffler Phys. Rev. Lett. 2002 88 036102
133. J. Rogal K. Reuter M. Scheffler Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2008 77 155410
134. L. J. Xu D. H. Mei G. Henkelman J. Chem. Phys. 2009 131 244520
135. D. H. Mei M. Neurock C. M. Smith J. Catal. 2009 268 181 195
136. J. Jelic K. Reuter R. Meyer ChemCatChem 2010 2 658 660
137. R. A. van Santen M. M. Ghouri S. Shetty E. M. H. Hensen Catal. Sci. Technol. 2011 1 891 911
138. H. A. Aleksandrov L. V. Moskaleva Z.-J. Zhao D. Basaran Z.-X. Chen D. Mei N. Rösch J. Catal. 2012 285 187 195
139. S. Yip, Handbook of Materials Modeling, Springer, Dordrecht, 2005
140. P. Aghalayam Y. K. Park D. G. Vlachos AIChE J. 2000 46 2017 2029
141. E. Shustorovich Russ. J. Phys. Chem. B 2007 1 307 329
142. M. Maestri D. G. Vlachos A. Beretta G. Groppi E. Tronconi J. Catal. 2008 259 211 222
143. Y. S. Zhang V. Blum K. Reuter Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2007 75 235406
144. J. R. Rostrup-Nielsen, in Modeling and simulation of heterogeneous catalytic reactions: From the Molecular Process to the Technical System, ed., O. Deutschmann, Wiley, Weinheim, 2011
145. Modeling and simulation of heterogeneous catalytic reactions - From the molecular process to the technical system, ed., O. Deutschmann, Wiley-VCH, Weinheim, 2012
146. D. G. Vlachos AIChE J. 1997 43 3031 3041
147. R. Kissel-Osterrieder, F. Behrendt and J. Warnatz, Twenty-Seventh Symposium (International) on Combustion, 1998, vol. 1 and 2, pp. 2267-2274
148. A. Chatterjee M. A. Snyder D. G. Vlachos Chem. Eng. Sci. 2004 59 5559 5567
149. S. Matera K. Reuter Catal. Lett. 2009 133 156 159
150. S. Matera K. Reuter Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 2010 82 085446
151. G. F. Froment and K. B. Bischoff, Chemical reactor analysis and design, Wiley, New York, 2nd edn, 1990
152. T. Bodineau D. Ioffe Y. Velenik J. Math. Phys. 2000 41 1033 1098
153. D. Blaylock Y.-A. Zhu W. Green Top. Catal. 2011 54 828 844
154. D. Teschner R. Farra L. D. Yao R. Schlogl H. Soerijanto R. Schomacker T. Schmidt L. Szentmiklosi A. P. Amrute C. Mondelli J. Perez-Ramirez G. Novell-Leruth N. Lopez J. Catal. 2012 285 273 284