Computing free energy landscapes: Application to Ni-based electrocatalysts with pendant amines for H2 production and oxidation

ACS Catalysis

Volumn 4, Issue 1, 2014, Pages 229-242

  Chen, Shentan ^a   Ho, Ming Hsun ^a   Bullock, R Morris ^a   Dubois, Daniel L ^a   Dupuis, Michel ^a   Rousseau, Roger ^a   Raugei, Simone ^a  

^a PACIFIC NORTHWEST NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

catalyst optimization; computational chemistry; hydrogen oxidation and production; molecular electrocatalysis; Ni complexes; thermodynamics

Indexed keywords

CATALYST OPTIMIZATION; COMPUTATIONAL EXPLORATION; ELECTRONIC STRUCTURE CALCULATIONS; HYDROGEN OXIDATION; LINEAR FREE ENERGY RELATIONSHIPS; NI COMPLEXES; PARAMETERS CHARACTERIZING; PREDICTION OF THERMODYNAMIC PROPERTIES;

AMINES; CATALYSIS; CATALYTIC OXIDATION; COMPUTATIONAL CHEMISTRY; ELECTROCATALYSIS; ELECTROCATALYSTS; ELECTRONIC STRUCTURE; FREE ENERGY; OPTIMIZATION; REACTION INTERMEDIATES; REDOX REACTIONS; THERMODYNAMICS;

NICKEL;

EID: 84891769480     PISSN: 21555435     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/cs401104w     Document Type: Article

References (63)

1. Friedman, D., Masciangioli, T., and Olson, S. The Role of the Chemical Sciences in Finding Alternatives to Critical Resources: A Workshop Summary; National Academies Press: Washington, DC, 2012.
2. Bullock, R. M., Ed.; Catalysis without Precious Metals; Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2010.
3. Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 15729-15735
4. Cook, T. R.; Dogutan, D. K.; Reece, S. Y.; Surendranath, Y.; Teets, T. S.; Nocera, D. G. Chem. Rev. 2010, 110, 6474-6502
5. Tran, P. D.; Artero, V.; Fontecave, M. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 727-747
6. Jeletic, M. S.; Mock, M. T.; Appel, A. M.; Linehan, J. C. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11533-11536
7. Rakowski DuBois, M.; DuBois, D. L. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 62-72
8. DuBois, D. L.; Bullock, R. M. Eur. J. Inorg. Chem. 2011, 2011, 1017-1027
9. Mock, M. T.; Potter, R. G.; Camaioni, D. M.; Li, J.; Dougherty, W. G.; Kassel, W. S.; Twamley, B.; DuBois, D. L. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 14454-14465
10. Mock, M. T.; Potter, R. G.; O'Hagan, M. J.; Camaioni, D. M.; Dougherty, W. G.; Kassel, W. S.; DuBois, D. L. Inorg. Chem. 2011, 50, 11914-11928
11. DuBois, D. L.; Blake, D. M.; Miedaner, A.; Curtis, C. J.; DuBois, M. R.; Franz, J. A.; Linehan, J. C. Organometallics 2006, 25, 4414-4419
12. Ellis, W. W.; Miedaner, A.; Curtis, C. J.; Gibson, D. H.; DuBois, D. L. J. Am. Chem. Soc. 2002, 124, 1926-1932
13. Fraze, K.; Wilson, A. D.; Appel, A. M.; Rakowski DuBois, M.; DuBois, D. L. Organometallics 2007, 26, 3918-3924
14. Small, Y. A.; DuBois, D. L.; Fujita, E.; Muckerman, J. T. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3008-3020
15. Wilson, A. D.; Shoemaker, R. K.; Miedaner, A.; Muckerman, J. T.; DuBois, D. L.; DuBois, M. R. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 6951-6956
16. Kilgore, U. J.; Roberts, J. A. S.; Pool, D. H.; Appel, A. M.; Stewart, M. P.; DuBois, M. R.; Dougherty, W. G.; Kassel, W. S.; Bullock, R. M.; DuBois, D. L. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 5861-5872
17. Kilgore, U. J.; Stewart, M. P.; Helm, M. L.; Dougherty, W. G.; Kassel, W. S.; DuBois, M. R.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. Inorg. Chem. 2011, 50, 10908-10918
18. Wiese, S.; Kilgore, U. J.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. ACS Catal. 2012, 2, 720-727
19. Yang, J. Y.; Chen, S.; Dougherty, W. G.; Kassel, W. S.; Bullock, R. M.; DuBois, D. L.; Raugei, S.; Rousseau, R.; Dupuis, M.; DuBois, M. R. Chem. Commun. 2010, 46, 8618-8620
20. Appel, A. M.; Pool, D. H.; O'Hagan, M.; Shaw, W. J.; Yang, J. Y.; Rakowski DuBois, M.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. ACS Catal. 2011, 1, 777-785
21. Yang, J. Y.; Smith, S. E.; Liu, T.; Dougherty, W. G.; Hoffert, W. A.; Kassel, W. S.; Rakowski DuBois, M.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 9700-9712
22. Chen, S.; Rousseau, R.; Raugei, S.; Dupuis, M.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. Organometallics 2011, 30, 6108-6118
23. Chen, S.; Raugei, S.; Rousseau, R.; Dupuis, M.; Bullock, R. M. J. Phys. Chem. A 2010, 114, 12716-12724
24. Raugei, S.; Chen, S.; Ho, M.-H.; Ginovska-Pangovska, B.; Rousseau, R. J.; Dupuis, M.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. Chem.-Eur. J. 2012, 18, 6493-6506
25. Dupuis, M.; Chen, S.; Raugei, S.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. J. Phys. Chem. A 2011, 115, 4861-4865
26. Barton, B. E.; Olsen, M. T.; Rauchfuss, T. B. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 16834-16835
27. Carroll, M. E.; Barton, B. E.; Rauchfuss, T. B.; Carroll, P. J. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 18843-18852
28. Singleton, M. L.; Crouthers, D. J.; Duttweiler, R. P.; Reibenspies, J. H.; Darensbourg, M. Y. Inorg. Chem. 2011, 50, 5015-5026
29. Jiang, S.; Liu, J.; Shi, Y.; Wang, Z.; Åkermark, B.; Sun, L. Dalton Trans. 2007, 896-902
30. Kaur-Ghumaan, S.; Schwartz, L.; Lomoth, R.; Stein, M.; Ott, S. Angew. Chem., Int. Ed. 2010, 49, 8033-8036
31. Lounissi, S.; Zampella, G.; Capon, J.-F.; De Gioia, L.; Matoussi, F.; Mahfoudhi, S.; Pétillon, F. Y.; Schollhammer, P.; Talarmin, J. Chem.-Eur. J. 2012, 18, 11123-11138
32. Camara, J. M.; Rauchfuss, T. B. Nat. Chem. 2012, 4, 26-30
33. Wang, N.; Wang, M.; Wang, Y.; Zheng, D.; Han, H.; Ahlquist, M. S. G.; Sun, L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 13688-13691
34. Liu, T.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. Nat. Chem. 2013, 5, 228-233
35. O'Hagan, M.; Ho, M.-H.; Yang, J. Y.; Appel, A. M.; DuBois, M. R.; Raugei, S.; Shaw, W. J.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 19409-19424
36. O'Hagan, M.; Shaw, W. J.; Raugei, S.; Chen, S.; Yang, J. Y.; Kilgore, U. J.; DuBois, D. L.; Bullock, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 14301-14312
37. Horvath, S.; Fernandez, L. E.; Appel, A. M.; Hammes-Schiffer, S. Inorg. Chem. 2013, 52, 3643-3652
38. Horvath, S.; Fernandez, L. E.; Soudackov, A. V.; Hammes-Schiffer, S. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2012, 109, 15663-15668
39. Fernandez, L. E.; Horvath, S.; Hammes-Schiffer, S. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 542-546
40. Fernandez, L. E.; Horvath, S.; Hammes-Schiffer, S. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 3171-3180
41. Carver, C. T.; Matson, B. D.; Mayer, J. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 5444-5447
42. Stewart, M. P.; Ho, M.-H.; Wiese, S.; Lindstrom, M. L.; Thogerson, C. E.; Raugei, S.; Bullock, R. M.; Helm, M. L. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 6033-6046
43. Wayner, D. D. M.; Parker, V. D. Acc. Chem. Res. 1993, 26, 287-294
44. Appel, A. M.; Lee, S.-J.; Franz, J. A.; DuBois, D. L.; Rakowski DuBois, M.; Twamley, B. Organometallics 2009, 28, 749-754
45. Yang, J. Y.; Bullock, R. M.; Shaw, W. J.; Twamley, B.; Fraze, K.; DuBois, M. R.; DuBois, D. L. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 5935-5945
46. Qi, X.-J.; Fu, Y.; Liu, L.; Guo, Q.-X. Organometallics 2007, 26, 4197-4203
47. Qi, X.-J.; Liu, L.; Fu, Y.; Guo, Q.-X. Organometallics 2006, 25, 5879-5886
48. Kaljurand, I.; Kütt, A.; Sooväli, L.; Rodima, T.; Mäemets, V.; Leito, I.; Koppel, I. A. J. Org. Chem. 2005, 70, 1019-1028
49. Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 33, 8822-8824
50. Perdew, J. P. Phys. Rev. B 1986, 34, 7406-7406
51. Becke, A. D. Phys. Rev. 1988, 38, 3098-3100
52. Andrae, D.; Häußermann, U.; Dolg, M.; Stoll, H.; Preuß, H. Theor. Chim. Acta 1990, 77, 123-141
53. Rassolov, V. A.; Pople, J. A.; Ratner, M. A.; Windus, T. L. J. Chem. Phys. 1998, 109, 1223
54. Barone, V.; Cossi, M. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 1995-2001
55. Cossi, M.; Rega, N.; Scalmani, G.; Barone, V. J. Comput. Chem. 2003, 24, 669-681
56. Bondi, A. J. Phys. Chem. 1964, 68, 441-451
57. 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, Jr., J. A.; 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, N. J.; 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, O.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, Revision A.1; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, 2009.
58. Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin, J. R.; Bligaard, T.; Jónsson, H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17886-17892
59. Wiedner, E. S.; Yang, J. Y.; Chen, S.; Raugei, S.; Dougherty, W. G.; Kassel, W. S.; Helm, M. L.; Bullock, R. M.; DuBois, M. R.; DuBois, D. L. Organometallics 2012, 31, 144-156
60. Savéant, J.-M. Chem. Rev. 2008, 108, 2348-2378
61. Roberts, J. A. S.; Bullock, R. M. Inorg. Chem. 2013, 52, 3823-3835
62. Kolthoff, I. M.; Chantooni, M. K.; Bhowmik, S. Anal. Chem. 1967, 39, 1627-1633
63. Pettifor, D. G. Bonding and Structure of Molecules and Solids; Oxford University Press: Oxford, U.K., 1995.