Photoinduced Water Oxidation at the Aqueous GaN (101¯0) Interface: Deprotonation Kinetics of the First Proton-Coupled Electron-Transfer Step

ACS Catalysis

Volumn 5, Issue 4, 2015, Pages 2317-2323

  Ertem, Mehmed Z ^a,b   Kharche, Neerav ^a   Batista, Victor S ^b   Hybertsen, Mark S ^a   Tully, John C ^b   Muckerman, James T ^a  

^a BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY   (United States)

^b YALE UNIVERSITY   (United States)

Author keywords

AIMD; aqueous interface; density functional theory; GaN; photocatalysis; water oxidation

Indexed keywords

CHEMICAL BONDS; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; ELECTRON TRANSITIONS; FREE ENERGY; FREE RADICAL REACTIONS; GALLIUM NITRIDE; HYDROGEN; HYDROGEN BONDS; MOLECULAR DYNAMICS; OXIDATION; PHOTOCATALYSIS; PHOTOCATALYSTS; PROTON TRANSFER; REACTION INTERMEDIATES; REACTION KINETICS;

AB INITIO MOLECULAR DYNAMICS; AIMD; AQUEOUS INTERFACES; GAN; HYDROGEN BONDING INTERACTIONS; PHOTOELECTROCHEMICAL WATER SPLITTING; PROTON COUPLED ELECTRON TRANSFERS; WATER OXIDATION;

PHASE INTERFACES;

EID: 84926673281     PISSN: 21555435     EISSN: None     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/acscatal.5b00054     Document Type: Article

References (45)

1. Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2006, 103, 15729 - 15735 10.1073/pnas.0603395103
2. Gust, D.; Moore, T. A.; Moore, A. L. Acc. Chem. Res. 2009, 42, 1890 - 1898 10.1021/ar900209b
3. Armaroli, N.; Balzani, V. ChemSusChem 2011, 4, 21 - 36 10.1002/cssc.201000182
4. Dau, H.; Limberg, C.; Reier, T.; Risch, M.; Roggan, S.; Strasser, P. ChemCatChem 2010, 2, 724 - 761 10.1002/cctc.201000126
5. Maeda, K.; Takata, T.; Hara, M.; Saito, N.; Inoue, Y.; Kobayashi, H.; Domen, K. J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 8286 - 8287 10.1021/ja0518777
6. Maeda, K.; Teramura, K.; Lu, D. L.; Takata, T.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K. Nature 2006, 440, 295 - 295 10.1038/440295a
7. Ohno, T.; Bai, L.; Hisatomi, T.; Maeda, K.; Domen, K. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 8254 - 8259 10.1021/ja302479f
8. Jensen, L. L.; Muckerman, J. T.; Newton, M. D. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 3439 - 3446 10.1021/jp073554y
9. Wang, S. Z.; Wang, L. W. Phys. Rev. Lett. 2010, 104 065501 10.1103/PhysRevLett.104.065501
10. McDermott, E. J.; Kurmaev, E. Z.; Boyko, T. D.; Finkelstein, L. D.; Green, R. J.; Maeda, K.; Domen, K.; Moewes, A. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 7694 - 7700 10.1021/jp301231p
11. Liu, J.; Pedroza, L. S.; Misch, C.; Fernandez-Serra, M. V.; Allen, P. B. J. Phys. Condens. Mater. 2014, 26 274204 10.1088/0953-8984/26/27/274204
12. Xiong, A. K.; Yoshinaga, T.; Ikeda, T.; Takashima, M.; Hisatomi, T.; Maeda, K.; Setoyama, T.; Teranishi, T.; Domen, K. Eur. J. Inorg. Chem. 2014, 4, 767 - 772 10.1002/ejic.201300439
13. Maeda, K.; Teramura, K.; Saito, N.; Inoue, Y.; Domen, K. Bull. Chem. Soc. Jpn. 2007, 80, 1004 - 1010 10.1246/bcsj.80.1004
14. Wang, D. F.; Pierre, A.; Kibria, M. G.; Cui, K.; Han, X. G.; Bevan, K. H.; Guo, H.; Paradis, S.; Hakima, A. R.; Mi, Z. T. Nano Lett. 2011, 11, 2353 - 2357 10.1021/nl2006802
15. Kibria, M. G.; Nguyen, H. P. T.; Cui, K.; Zhao, S. R.; Liu, D. P.; Guo, H.; Trudeau, M. L.; Paradis, S.; Hakima, A. R.; Mi, Z. T. ACS Nano 2013, 7, 7886 - 7893 10.1021/nn4028823
16. Shen, X. A.; Small, Y. A.; Wang, J.; Allen, P. B.; Fernandez-Serra, M. V.; Hybertsen, M. S.; Muckerman, J. T. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 13695 - 13704 10.1021/jp102958s
17. Li, L.; Muckerman, J. T.; Hybertsen, M. S.; Allen, P. B. Phys. Rev. B 2011, 83 134202 10.1103/PhysRevB.83.134202
18. Rossmeisl, J.; Qu, Z. W.; Zhu, H.; Kroes, G. J.; Norskov, J. K. J. Electroanal. Chem. 2007, 607, 83 - 89 10.1016/j.jelechem.2006.11.008
19. Man, I. C.; Su, H. Y.; Calle-Vallejo, F.; Hansen, H. A.; Martinez, J. I.; Inoglu, N. G.; Kitchin, J.; Jaramillo, T. F.; Norskov, J. K.; Rossmeisl, J. ChemCatChem 2011, 3, 1159 - 1165 10.1002/cctc.201000397
20. Akimov, A. V.; Muckerman, J. T.; Prezhdo, O. V. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 8682 - 8691 10.1021/ja4029395
21. Kharche, N.; Hybertsen, M. S.; Muckerman, J. T. Phys. Chem. Chem. Phys. 2014, 16, 12057 - 12066 10.1039/c4cp00486h
22. Kharche, N.; Muckerman, J. T.; Hybertsen, M. S. Phys. Rev. Lett. 2014, 113 176802 10.1103/PhysRevLett.113.176802
23. Blochl, P. E. Phys. Rev. B 1994, 50, 17953 - 17979 10.1103/PhysRevB.50.17953
24. Kresse, G.; Furthmuller, J. Phys. Rev. B 1996, 54, 11169 - 11186 10.1103/PhysRevB.54.11169
25. Kresse, G.; Joubert, D. Phys. Rev. B 1999, 59, 1758 - 1775 10.1103/PhysRevB.59.1758
26. Dudarev, S. L.; Botton, G. A.; Savrasov, S. Y.; Humphreys, C. J.; Sutton, A. P. Phys. Rev. B 1998, 57, 1505 - 1509 10.1103/PhysRevB.57.1505
27. Dion, M.; Rydberg, H.; Schroder, E.; Langreth, D. C.; Lundqvist, B. I. Phys. Rev. Lett. 2004, 92 246401 10.1103/PhysRevLett.92.246401
28. Klimes, J.; Bowler, D. R.; Michaelides, A. Phys. Rev. B 2011, 83 195131 10.1103/PhysRevB.83.195131
29. Peverati, R.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 117 - 124 10.1021/jz201525m
30. Peverati, R.; Truhlar, D. G. J. Chem. Phys. 2012, 136 134704 10.1063/1.3698285
31. Marenich, A. V.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2009, 113, 6378 - 6396 10.1021/jp810292n
32. Bergner, A.; Dolg, M.; Kuchle, W.; Stoll, H.; Preuss, H. Mol. Phys. 1993, 80, 1431 - 1441 10.1080/00268979300103121
33. Leininger, T.; Berning, A.; Nicklass, A.; Stoll, H.; Werner, H. J.; Flad, H. J. Chem. Phys. 1997, 217, 19 - 27 10.1016/S0301-0104(97)00043-8
34. Hehre, W. J.; Radom, L.; Schleyer, P. v. R.; Pople, J. A. Ab Initio Molecular Orbital Theory; Wiley: New York, 1986.
35. 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.; 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, Ö.; Foresman, J. B.; Ortiz, J. V.; Cioslowski, J.; Fox, D. J. Gaussian 09, revision A.02; Gaussian, Inc.: Wallingford, CT, USA, 2010.
36. Cramer, C. J. Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, 2 nd ed.; Wiley: Chichester, UK, 2004; pp 385 - 427.
37. Tissandier, M. D.; Cowen, K. A.; Feng, W. Y.; Gundlach, E.; Cohen, M. H.; Earhart, A. D.; Coe, J. V.; Tuttle, T. R. J. Phys. Chem. A 1998, 102, 7787 - 7794 10.1021/jp982638r
38. Camaioni, D. M.; Schwerdtfeger, C. A. J. Phys. Chem. A 2005, 109, 10795 - 10797 10.1021/jp054088k
39. Kelly, C. P.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 16066 - 16081 10.1021/jp063552y
40. Bryantsev, V. S.; Diallo, M. S.; Goddard, W. A. J. Phys. Chem. B 2008, 112, 9709 - 9719 10.1021/jp802665d
41. Lewis, A.; Bumpus, J. A.; Truhlar, D. G.; Cramer, C. J. J. Chem. Educ. 2004, 81, 596 - 604 (erratum 2007, 84, 934); 10.1021/ed081p596
42. Winget, P.; Cramer, C. J.; Truhlar, D. G. Theor. Chem. Acc. 2004, 112, 217 - 227 10.1007/s00214-004-0577-0
43. Becke, A. D. J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648 - 5652 10.1063/1.464913
44. Wang, J.; Pedroza, L. S.; Poissier, A.; Fernandez-Serra, M. V. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 14382 - 14389 10.1021/jp302793s
45. Chen, J.; Li, Y. F.; Sit, P.; Selloni, A. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 18774 - 18777 10.1021/ja410685m