New insights on photocatalytic H2 liberation from water using transition-metal oxides: Lessons from cluster models of molybdenum and tungsten oxides

Journal of the American Chemical Society

Volumn 135, Issue 45, 2013, Pages 17039-17051

  Ramabhadran, Raghunath O ^a   Mann, Jennifer E ^a   Waller, Sarah E ^a   Rothgeb, David W ^a   Jarrold, Caroline C ^a   Raghavachari, Krishnan ^a  

^a INDIANA UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

COMPUTATIONAL RESULTS; ELECTROSTATIC COMPLEXES; ENVIRONMENTALLY BENIGN; LOWEST-ENERGY ISOMERS; METAL HYDROGEN BONDS; MOLYBDENUM AND TUNGSTEN; SCIENTIFIC RESEARCHES; TRANSITION-METAL OXIDES;

ALTERNATIVE FUELS; HYDROGEN BONDS;

TRANSITION METALS;

HYDROGEN; METAL OXIDE; MOLYBDENUM; MOLYBDENUM OXIDE; TRANSITION METAL OXIDE DERIVATIVE; TUNGSTEN; TUNGSTEN OXIDE; UNCLASSIFIED DRUG; WATER;

ARTICLE; CHEMICAL STRUCTURE; PHOTOCATALYSIS;

EID: 84887655285     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/ja4076309     Document Type: Article

References (111)

1. Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 15729-15735
2. Cook, T. R.; Dogutan, D. K.; Reece, S. Y.; Surendranath, Y.; Teets, T. S.; Nocera, D. G. Chem. Rev. 2010, 110, 6474-6502
3. Sundstrom, E. J.; Yang, X.; Thoi, V. S.; Karunadasa, H. I.; Chang, C. J.; Long, J. R.; Head-Gordon, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5233-5242
4. Maeda, K.; Domen, K. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2655-2661
5. Lee, J. S. Catal. Surv. Asia 2005, 9, 217-227
6. Maeda, K.; Domen, K. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 7851-7861
7. Osterloh, F. E. Chem. Matter. 2008, 20, 35-54
8. Kudo, A.; Miseki, Y. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 253-278
9. Youngblood, W. J.; Lee, S.-H. A.; Maeda, K.; Mallouk, T. E. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1966-1973
10. Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D.; Takata, T.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K. Nature 2006, 440, 295
11. Hata, H.; Kobayashi, Y.; Bojan, V.; Youngblood, W. J.; Mallouk, T. E. Nano Lett. 2008, 8, 794-799
12. Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 7806-7809
13. Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 7554-7560
14. Maeda, K.; Sakamoto, N.; Ikeda, T.; Ohtsuka, H.; Xiong, A.; Lu, D.; Kanehara, M.; Teranishi, T.; Domen, K. Chem.-Eur. J. 2010, 16, 7750-7759
15. Sakamoto, N.; Ohtsuka, H.; Ikeda, T.; Maeda, K.; Lu, D.; Kanehara, M.; Teramura, K.; Teranishi, T.; Domen, K. Nanoscale 2009, 1, 106-109
16. Yoshida, M.; Takanabe, K.; Maeda, K.; Ishikawa, A.; Kubota, J.; Sakata, Y.; Ikezawa, Y.; Domen, K. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 10151-10157
17. Hisatomi, T.; Maeda, K.; Takanabe, K.; Kubota, J.; Domen, K. J. Phys. Chem. C 2009, 113, 21458-214666
18. For a comprehensive review on solar water splitting cells and the role of transition-metal oxides in it, see: Walter, M. G.; Warren, E. L.; Mckone, J. R.; Boettcher, S. W.; Mi, Q.; Santori, E. A.; Lewis, N. S. Chem. Rev. 2010, 110, 6466-6473
19. Jena, P.; Castleman, A. W., Jr. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 10560-10569
20. Witko, M.; Hermann, K.; Tokarz, R. J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 1994, 69, 89-98
21. Muetterties, E. L. Science 1997, 196, 839-848
22. Lai, X.; Goodman, D. W. J. Mol. Catal. A 2000, 162, 1647-1650
23. Gong, Y.; Zhou, M.; Andrews, L. Chem. Rev. 2009, 109, 6765-6808 and references therein
24. Wyrwas, R. B.; Yoder, B. L.; Maze, J. T.; Jarrold, C. C. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 2157-2164 and references therein
25. Rothgeb, D. W.; Kuo, A. T.; Troyer, J. L.; Jarrold, C. C.; Mayhall, N. J.; Raghavachari, K. J. Chem. Phys. 2009, 130, 124314-1-8
26. Wyrwas, R. B.; Robertson, E. M.; Jarrold, C. C. J. Chem. Phys. 2007, 126, 214309-1-8
27. Wyrwas, R. B.; Jarrold, C. C. J. Am. Chem. Soc. 2006, 128, 13688-13689
28. Johnson, G. E.; Reveles, J. U.; Khanna, S. N.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 5438-5446
29. Johnson, G. E.; Mitric, R.; Nossler, M.; Tyo, E. C.; Koutecky, V. B.; Castleman, A. W., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5460-5470 and references therein
30. Johnson, G. E.; Reveles, J. U.; Reilly, N. M.; Tyo, E. C.; Khanna, S. N.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 11330-11340
31. Johnson, G. E.; Reveles, J. U.; Reilly, N. M.; Castleman, A. W., Jr. Int. J. Mass Spectrom. 2009, 280, 93-100
32. Johnson, G. E.; Tyo, E. C.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 9730-9736
33. Reilly, N. M.; Reveles, J. U.; Johnson, G. E.; del Campo, J. M.; Khanna, S. N.; Koster, A. M.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 19086-19097
34. Reilly, N. M.; Reveles, J. U.; Johnson, G. E.; Khanna, S. N.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 4158-4166
35. Reilly, N. M.; Reveles, J. U.; Johnson, G. E.; Khanna, S. N.; Castleman, A. W., Jr. Chem. Phys. Lett. 2007, 435, 295-300
36. Reilly, N. M.; Johnson, G. E.; Kimble, M. L.; Castleman, A. W., Jr. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1694-1698 and references therein
37. Zhai, H. J.; Averkiev, B. B.; Zubarev, D. Yu.; Wang, L. S.; Boldyrev, A. I. Angew. Chem., Int. Ed. 2007, 46, 4277-4280
38. Bondarchuk, O.; Huang, X.; Kim, J.; Kay, B. D.; Wang, L. S.; White, J. M.; Dohnalek, Z. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 4786-4789
39. Huang, X.; Zhai, H. J.; Waters, L. J.; Wang, L. S. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 657-660
40. Huang, X.; Zhai, H. J.; Kiran, B.; Wang, L. S. Angew. Chem., Int. Ed. 2005, 44, 7251-7254
41. Li, S.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2007, 111, 11093-11099
42. Zhai, H. J.; Kiran, B.; Cui, L. F.; Li, X.; Dixon, D. A.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2004, 126, 16134-16141
43. Zhai, H. J.; Dobler, J.; Sauer, J.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 13270-13276
44. Bell, R. C.; Zemski, K. A.; Castleman, A. W., Jr. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 1585-1591
45. Sun, Q.; Rao, B. K.; Jena, P.; Stolcic, D.; Kim, Y. D.; Gantefor, G.; Castleman, A. W., Jr. J. Chem. Phys. 2004, 121, 9417-9422
46. Li, S.; Zhai, H. J.; Wang, L. S.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A. 2009, 113, 11273-11288
47. Bergeron, D. E.; Castleman, A. W., Jr.; Jones, N. O.; Khanna, S. N. Nano Lett. 2004, 2, 261-265
48. Zhai, H. J.; Wang, B.; Huang, X.; Wang, L. S. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 9804-9813
49. Gustav, G. L.; Jena, P.; Zhai, H. J.; Wang, L. S. J. Chem. Phys. 2001, 115, 7935-7944
50. Zhai, H. J.; Huang, X.; Waters, T.; Wang, X. B.; O'Hair, R. A. J.; Wedd, A. G.; Wang, L. S. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 10512-10520
51. Zhai, H. J.; Wang, L. S. J. Chem. Phys. 2006, 125, 164315-1-9
52. Li, S. G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2006, 110, 6231-6244
53. Li, S. G.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2008, 112, 6646-6666
54. Li, S.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 19190-19196
55. Li, S.; Guenther, C. L.; Kelley, M. S.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 8072-8103
56. Ramabhadran, R. O.; Mayhall, N. J.; Raghavachari, K. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3066-3071
57. Ramabhadran, R. O.; Becher, E. L, III.; Chowdhury, A.; Raghavachari, K. J. Phys. Chem. A 2012, 116, 7189-7195
58. Zhai, H. J.; Zhang, X. H.; Chen, W. J.; Huang, X.; Wang, L. S. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 3085-3094
59. 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, 1932-1943
60. Jackson, P.; Fisher, K. J.; Willet, G. D. Int. Mass Spectrom. 2000, 197, 95-103
61. Jackson, P.; Fisher, K. J.; Willet, G. D. Chem. Phys. 2000, 262, 179-187
62. Fielicke, A.; Meijer, G.; von Helden, G. Eur. Phys. J. D 2003, 24, 69-72
63. Molek, K. S.; Jaeger, T. D.; Duncan, M. A. J. Chem. Phys. 2005, 123, 144313
64. Dong, F.; Heinbuch, S.; He, S. G.; Xie, Y.; Rocca, J. J.; Bernstein, E. R. J. Chem. Phys. 2006, 125, 164318
65. Fialko, E. F.; Kikhtenko, A. V.; Goncharov, V. B.; Zamaraev, K. I. J. Phys. Chem. B 1997, 101, 5772-5773
66. Rothgeb, D. W.; Mann, J. E.; Jarrold, C. C. J. Chem. Phys. 2010, 133, 054305
67. Rothgeb, D. W.; Mann, J. E.; Waller, S. E.; Jarrold, C. C. J. Chem. Phys. 2011, 135, 104312
68. Green, S. M. E.; Alex, S.; Fleischer, N. L.; Millam, E. L.; Marcy, T. P.; Leopold, D. G. J. Chem. Phys. 2001, 114, 2653
69. Gutsev, G. L.; Weatherford, C. A.; Jena, P.; Johnson, E.; Ramachandran, B. R. Chem. Phys. Lett. 2013, 556, 211
70. Pradhan, K.; Gutsev, G. L.; Weatherford, C. A.; Jena, P. J. Chem. Phys. 2011, 134, 144305
71. Gutsev, G. L.; Weatherford, C. A.; Pradhan, K.; Jena, P. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 9014-9021
72. Bertram, N.; Kim, Y. D.; Gantefor, G.; Sun, Q.; Jena, P.; Tamuliene, J.; Seifert, J. J. Chem. Phys. 2004, 396, 341
73. Khanna, S. N.; Jena, P.; Zheng, W. J.; Nilles, J. M.; Bowen, K. H. Phys. Rev. B 2004, 69, 144418
74. Sun, Q.; Rao, B. K.; Jena, P.; Stolcic, D.; Kim, Y. D.; Gantefor, G.; Kawazoe, Y. Chem. Phys. Lett. 2004, 387, 29-34
75. Gutsev, J. L.; Jena, P.; Zhai, H. J.; Wang, L. S. J. Chem. Phys. 2001, 115, 7935-7944
76. Reber, A. C.; Khanna, S. N.; Tyo, E. C.; Harmon, C. L.; Castleman, A. W., Jr. J. Chem. Phys. 2011, 135, 234303
77. Tyo, E. C.; Castleman, A. W.; Reber, A. C., Jr.; Khanna, S. N. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 16797-16802
78. Jones, N. O.; Reddy, B. V.; Rasouli, F.; Khanna, S. N. Phys. Rev. B 2005, 72, 165411
79. Wang, T.-H.; Fang, Z.; Gist, N. W.; Li, S.; Dixon, D. A.; Gole, J. L. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 9344-9360
80. Fang, Z.; Outlaw, M.; Smith, K.; Gist, N.; Li, S.; Dixon, D. A.; Gole, J. L. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 8475-8492
81. Fang, Z.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2013, 117, 3539-3555
82. For some applications of non-transition-metal oxide clusters as models for probing the role of surface defects in catalysis, see refs 82-87. Guevara-Garcia, A.; Martinez, A.; Ortiz, J. V. J. Chem. Phys. 2005, 122, 214309
83. Tenorio, F. J.; Murray, I.; Martinez, A.; Klabunde, K. J.; Ortiz, J. V. J. Chem. Phys. 2004, 120, 7955-7962
84. Martinez, A.; Tenorio, F. J.; Ortiz, J. V. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 2589-2595
85. Martinez, A.; Sansores, L. E.; Salcedo, R.; Tenorio, F. J.; Ortiz, J. V. J. Phys. Chem. A 2002, 106, 10630-10635
86. Martinez, A.; Tenorio, F. J.; Ortiz, J. V. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 8787-8793
87. Martinez, A.; Tenorio, F. J.; Ortiz, J. V. J. Phys. Chem. A 2001, 105, 11291-11294
88. Mayhall, N. J.; Rothgeb, D. W.; Hossain, E.; Jarrold, C. C.; Raghavachari, K. J. Chem. Phys. 2009, 131, 144302
89. Rothgeb, D. W.; Hossain, E.; Mann, J. E.; Jarrold, C. C. J. Chem. Phys. 2010, 131, 064302
90. Moravec, V. D.; Jarrold, C. C. J. Chem. Phys. 1998, 108, 1804
91. Dietz, T. G.; Duncan, M. A.; Powers, D. E.; Smalley, R. E. J. Chem. Phys. 1981, 74, 6511
92. Davico, G. E.; Schwartz, R. L.; Ramond, T. M.; Lineberger, W. C. J. Phys. Chem. A 1999, 103, 6167
93. Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Scalmani, G.; Barone, V.; Mennucci, B.; Petersson, G. A.; Nakatsuji, H.; Caricato, M.; Li, X.; Hratchian, H. P.; Izmaylov, A. F.; Bloino, J.; Zheng, G.; Sonnenberg, J. L.; Hada, M.; Ehara, M.; Toyota, K.; Fukuda, R.; Hasegawa, J.; Ishida, M.; Nakajima, T.; Honda, Y.; Kitao, O.; Nakai, H.; Vreven, T.; Montgomery, J. A., Jr.; Peralta, J. E.; Ogliaro, F.; Bearpark, M.; Heyd, J. J.; Brothers, E.; Kudin, K. N.; Staroverov, V. N.; Kobayashi, R.; Normand, J.; Raghavachari, K.; Rendell, A.; Burant, J. C.; Iyengar, S. S.; Tomasi, J.; Cossi, M.; Rega, N.; Millam, J. M.; Klene, M.; Knox, J. E.; Cross, J. B.; Bakken, V.; Adamo, C.; Jaramillo, J.; Gomperts, R.; Stratmann, R. E.; Yazyev, O.; Austin, A. J.; Cammi, R.; Pomelli, C.; Ochterski, J. W.; Martin, R. L.; Morokuma, K.; Zakrzewski, V. G.; Voth, G. A.; Salvador, P.; Dannenberg, J. J.; Dapprich, S.; Daniels, A. D.; Farkas, A.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, revision A.1; Gaussian Inc.: Wallingford, CT, 2009.
94. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648-5652
95. Lee, C. T.; Yang, W. T.; Parr, R. G. Phys. Rev. B 1988, 37, 785-789
96. Andrae, D.; Hausserman, U.; Dolg, M.; Stoll, H.; Preuss, H. Theor. Chem. Acc. 1990, 77, 123-141
97. Dunning, T. H., Jr.; Hay, P. J. In Modern Theoretical Chemistry; Schaefer, H. F., Ed.; Plenum Press: New York, 1976; Vol. 3, pp 1-28.
98. Kendall, R. A.; Dunning, T. H., Jr.; Harrison, R. J. J. Chem. Phys. 1992, 96, 6796-6806
99. Zhao, Y.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2008, 120, 215-241
100. Grimme, S.; Antony, J.; Ehlrich, S.; Krieg, H. A J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104
101. Ervin, K. M. PESCAL, Fortran program (2010). The interested reader can access the program from the following website: http://wolfweb.unr.edu/ ∼ervin/pes/.
102. Ervin, K. M.; Ramond, T. M.; Davico, G. E.; Schwartz, R. L.; Casey, S. M.; Lineberger, W. C. J. Phys. Chem. A 2001, 101, 10822-108831
103. Rothgeb, D. W.; Hossain, E.; Kuo, A. T.; Troyer, J. L.; Jarrold, C. C. J. Chem. Phys. 2009, 131, 044310
104. For one of the earliest papers explaining kinetic shift, see: Friedman, L.; Long, F. A.; Wolfsberg, M. J. Chem. Phys. 1957, 26, 714
105. Li, S. G.; Hennigan, J. M.; Peterson, K. A.; Dixon, D. A. J. Phys. Chem. A 2009, 113, 7861-7877
106. Chai, J.-D.; Head-Gordon, M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2008, 10, 6615-6620
107. Tao, J. M.; Perdew, J. P.; Starvoverov, V. N.; Scuseria, G. E. Phys. Rev. Lett. 2003, 91, 146401-146404
108. Uddin, J.; Morales, C. M.; Maynard, J. H.; Landis, C. Organometallics 2006, 25, 5566-5581
109. Somorjai, G. A.; Li, Y. Introduction to Surface Chemistry and Catalysis; John Wiley & Sons: Hoboken, NJ, 2010.
110. Standard Thermodynamic Properties of Chemical Substances. In CRC Handbook of Chemistry and Physics, 93 rd ed. (Internet version); Haynes, W. M., Ed.; CRC Press/Taylor and Francis: Boca Raton, FL, 2013.
111. Sato, S.; White, J. M. J. Am. Chem. Soc. 1980, 102, 7206-7210