In Situ Probing of the Active Site Geometry of Ultrathin Nanowires for the Oxygen Reduction Reaction

Journal of the American Chemical Society

Volumn 137, Issue 39, 2015, Pages 12597-12609

  Liu, Haiqing ^a   An, Wei ^b   Li, Yuanyuan ^c   Frenkel, Anatoly I ^c   Sasaki, Kotaro ^b   Koenigsmann, Christopher ^a   Su, Dong ^b   Anderson, Rachel M ^d   Crooks, Richard M ^d   Adzic, Radoslav R ^b   Liu, Ping ^b   Wong, Stanislaus S ^a,e  

^a STONY BROOK UNIVERSITY   (United States)

^b BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY   (United States)

^c YESHIVA UNIVERSITY   (United States)

^d University of Texas at Austin   (United States)

^e BROOKHAVEN NATIONAL LABORATORY   (United States)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ELECTROCATALYSTS; ELECTROLYSIS; ELECTROLYTIC REDUCTION; FUEL CELLS; NANOTECHNOLOGY; NANOWIRES; PLATINUM; X RAY ABSORPTION SPECTROSCOPY;

GALVANIC REPLACEMENTS; LONG TERM STABILITY; NANO-SCALE ELECTROCATALYSTS; OXYGEN REDUCTION REACTION; PERFORMANCE ENHANCEMENTS; STRUCTURAL UNDERSTANDING; THEORETICAL CALCULATIONS; UNDERPOTENTIAL DEPOSITION;

PROTON EXCHANGE MEMBRANE FUEL CELLS (PEMFC);

COPPER; GOLD; NANOPARTICLE; NANOWIRE; OXYGEN; PALLADIUM; PLATINUM;

ARTICLE; CATALYST; CHEMICAL COMPOSITION; CONFORMATION; DENSITY FUNCTIONAL THEORY; GEOMETRY; NANOANALYSIS; PARTICLE SIZE; SYNTHESIS; THERMOSTABILITY; X RAY ABSORPTION SPECTROSCOPY;

EID: 84943573977     PISSN: 00027863     EISSN: 15205126     Source Type: Journal    
DOI: 10.1021/jacs.5b07093     Document Type: Article

References (80)

1. Morozan, A.; Jousselme, B.; Palacin, S. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 1238 10.1039/c0ee00601g
2. Chen, Z. W.; Higgins, D.; Yu, A. P.; Zhang, L.; Zhang, J. J. Energy Environ. Sci. 2011, 4, 3167 10.1039/c0ee00558d
3. Stephens, I. E. L.; Bondarenko, A. S.; Gronbjerg, U.; Rossmeisl, J.; Chorkendorff, I. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6744 10.1039/c2ee03590a
4. Nilekar, A. U.; Xu, Y.; Zhang, J. L.; Vukmirovic, M. B.; Sasaki, K.; Adzic, R. R.; Mavrikakis, M. Top. Catal. 2007, 46, 276 10.1007/s11244-007-9001-z
5. Bing, Y. H.; Liu, H. S.; Zhang, L.; Ghosh, D.; Zhang, J. J. Chem. Soc. Rev. 2010, 39, 2184 10.1039/b912552c
6. Mazumder, V.; Lee, Y.; Sun, S. H. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 1224 10.1002/adfm.200902293
7. Zhang, H.; Jin, M. S.; Xia, Y. N. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 8035 10.1039/c2cs35173k
8. Wang, C.; Marković, N. M.; Stamenkovic, V. R. ACS Catal. 2012, 2, 891 10.1021/cs3000792
9. Oezaslan, M.; Hasche, F.; Strasser, P. J. Phys. Chem. Lett. 2013, 4, 3273 10.1021/jz4014135
10. Guo, S. J.; Zhang, S.; Sun, S. H. Angew. Chem., Int. Ed. 2013, 52, 8526 10.1002/anie.201207186
11. Wu, J. B.; Yang, H. Acc. Chem. Res. 2013, 46, 1848 10.1021/ar300359w
12. Xu, Y.; Zhang, B. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 2439 10.1039/c3cs60351b
13. Xia, Y.; Yang, P.; Sun, Y.; Wu, Y.; Mayers, B.; Gates, G.; Yin, Y.; Kim, F.; Yan, H. Adv. Mater. 2003, 15, 353 10.1002/adma.200390087
14. Weber, J.; Singhal, R.; Zekri, S.; Kumar, A. Int. Mater. Rev. 2008, 53, 235 10.1179/174328008X348183
15. Wang, N.; Cai, Y.; Zhang, R. Q. Mater. Sci. Eng., R 2008, 60, 1 10.1016/j.mser.2008.01.001
16. Cademartiri, L.; Ozin, G. A. Adv. Mater. 2009, 21, 1013 10.1002/adma.200801836
17. Lim, B.; Jiang, M.; Camargo, P. H. C.; Cho, E. C.; Tao, J.; Lu, X.; Zhu, Y.; Xia, Y. Science 2009, 324, 1302 10.1126/science.1170377
18. Kitchin, J. R.; Nørskov, J. K.; Barteau, M. A.; Chen, J. G. Phys. Rev. Lett. 2004, 10.1103/PhysRevLett.93.156801
19. Koenigsmann, C.; Zhou, W. P.; Adzic, R. R.; Sutter, E.; Wong, S. S. Nano Lett. 2010, 10, 2806 10.1021/nl100718k
20. Koenigsmann, C.; Santulli, A. C.; Gong, K. P.; Vukmirovic, M. B.; Zhou, W. P.; Sutter, E.; Wong, S. S.; Adzic, R. R. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 9783 10.1021/ja111130t
21. Koenigsmann, C.; Sutter, E.; Adzic, R. R.; Wong, S. S. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 15297 10.1021/jp306034d
22. Koenigsmann, C.; Tan, Z.; Peng, H.; Sutter, E.; Jacobskind, J.; Wong, S. S. Isr. J. Chem. 2012, 52, 1090 10.1002/ijch.201200052
23. Koenigsmann, C.; Scofield, M. E.; Liu, H. Q.; Wong, S. S. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 3385 10.1021/jz301457h
24. Strasser, P.; Koh, S.; Anniyev, T.; Greeley, J.; More, K.; Yu, C. F.; Liu, Z. C.; Kaya, S.; Nordlund, D.; Ogasawara, H.; Toney, M. F.; Nilsson, A. Nat. Chem. 2010, 2, 454 10.1038/nchem.623
25. Matanović, I.; Kent, P. R. C.; Garzon, F. H.; Henson, N. J. J. Electrochem. Soc. 2013, 160, F548 10.1149/2.047306jes
26. Russell, A. E.; Tessier, B. C.; Wise, A. M.; Rose, A.; Price, S. W. T.; Richardson, P. W.; Ball, S. C.; Theobald, B.; Thompsett, D.; Crabb, E. M. ECS Trans. 2011, 41, 55 10.1149/1.3635543
27. Rettew, R. E.; Allam, N. K.; Alamgir, F. M. ACS Appl. Mater. Interfaces 2011, 3, 147 10.1021/am1012563
28. Cheon, J. Y.; Kim, T.; Choi, Y.; Jeong, H. Y.; Kim, M. G.; Sa, Y. J.; Kim, J.; Lee, Z.; Yang, T. H.; Kwon, K.; Terasaki, O.; Park, G. G.; Adzic, R. R.; Joo, S. H. Sci. Rep. 2013, 3, 2715 10.1038/srep02715
29. Gao, J.; Zhong, J.; Bai, L. L.; Liu, J. Y.; Zhao, G. Q.; Sun, X. H. Sci. Rep. 2014, 4, 3606 10.1038/srep03606
30. Nashner, M. S.; Frenkel, A. I.; Adler, D. L.; Shapley, J. R.; Nuzzo, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1997, 119, 7760 10.1021/ja971039f
31. Frenkel, A. I. J. Synchrotron Radiat. 1999, 6, 293 10.1107/S0909049598017786
32. Frenkel, A. I.; Hills, C. W.; Nuzzo, R. G. J. Phys. Chem. B 2001, 105, 12689 10.1021/jp012769j
33. Alayoglu, S.; Zavalij, P.; Eichhorn, B.; Wang, Q.; Frenkel, A. I.; Chupas, P. ACS Nano 2009, 3, 3127 10.1021/nn900242v
34. Frenkel, A. I. Chem. Soc. Rev. 2012, 41, 8163 10.1039/c2cs35174a
35. Jung, U.; Elsen, A.; Li, Y.; Smith, J. G.; Small, M. W.; Stach, E. A.; Frenkel, A. I.; Nuzzo, R. G. ACS Catal. 2015, 5, 1539 10.1021/cs501846g
36. Dutta, I.; Carpenter, M. K.; Balogh, M. P.; Ziegelbauer, J. M.; Moylan, T. E.; Atwan, M. H.; Irish, N. P. J. Phys. Chem. C 2010, 114, 16309 10.1021/jp106042z
37. Sasaki, K.; Naohara, H.; Choi, Y. M.; Cai, Y.; Chen, W. F.; Liu, P.; Adzic, R. R. Nat. Commun. 2012, 3, 1115 10.1038/ncomms2124
38. Kuttiyiel, K. A.; Sasaki, K.; Su, D.; Vukmirovic, M. B.; Marinkovic, N. S.; Adzic, R. R. Electrochim. Acta 2013, 110, 267 10.1016/j.electacta.2013.04.037
39. Anderson, R. M.; Zhang, L.; Loussaert, J. A.; Frenkel, A. I.; Henkelman, G.; Crooks, R. M. ACS Nano 2013, 7, 9345 10.1021/nn4040348
40. Nashner, M. S.; Frenkel, A. I.; Somerville, D.; Hills, C. W.; Shapley, J. R.; Nuzzo, R. G. J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 8093 10.1021/ja980638z
41. Knecht, M. R.; Weir, M. G.; Frenkel, A. I.; Crooks, R. M. Chem. Mater. 2007, 20, 1019 10.1021/cm0717817
42. Shu, Y. Y.; Murillo, L. E.; Bosco, J. P.; Huang, W.; Frenkel, A. I.; Chen, J. G. Appl. Catal., A 2008, 339, 169 10.1016/j.apcata.2008.01.024
43. Teng, X. W.; Han, W. Q.; Wang, Q.; Li, L.; Frenkel, A. I.; Yang, J. C. J. Phys. Chem. C 2008, 112, 14696 10.1021/jp8054685
44. Teng, X. W.; Wang, Q.; Liu, P.; Han, W.; Frenkel, A.; Wen, W.; Marinkovic, N.; Hanson, J. C.; Rodriguez, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 1093 10.1021/ja077303e
45. Kresse, G.; Furthmuller, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1996, 54, 11169 10.1103/PhysRevB.54.11169
46. Kresse, G.; Hafner, J. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1993, 47, 558 10.1103/PhysRevB.47.558
47. Perdew, J. P.; Chevary, J. A.; Vosko, S. H.; Jackson, K. A.; Pederson, M. R.; Singh, D. J.; Fiolhais, C. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1992, 46, 6671 10.1103/PhysRevB.46.6671
48. Blochl, P. E. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1994, 50, 17953 10.1103/PhysRevB.50.17953
49. Monkhorst, H. J.; Pack, J. D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188 10.1103/PhysRevB.13.5188
50. Koenigsmann, C.; Sutter, E.; Chiesa, T. A.; Adzic, R. R.; Wong, S. S. Nano Lett. 2012, 12, 2013 10.1021/nl300033e
51. Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin, J. R.; Bligaard, T.; Jonsson, H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17886 10.1021/jp047349j
52. Stamenkovic, V.; Mun, B. S.; Mayrhofer, K. J. J.; Ross, P. N.; Marković, N. M.; Rossmeisl, J.; Greeley, J.; Nørskov, J. K. Angew. Chem., Int. Ed. 2006, 45, 2897 10.1002/anie.200504386
53. Shao, M.; Liu, P.; Adzic, R. R. J. Phys. Chem. B 2007, 111, 6772 10.1021/jp0689971
54. Wang, J. X.; Inada, H.; Wu, L. J.; Zhu, Y. M.; Choi, Y. M.; Liu, P.; Zhou, W. P.; Adzic, R. R. J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 17298 10.1021/ja9067645
55. Zhang, J.; Yang, H. Z.; Fang, J. Y.; Zou, S. Z. Nano Lett. 2010, 10, 638 10.1021/nl903717z
56. An, W.; Liu, P. J. Phys. Chem. C 2013, 117, 16144 10.1021/jp4057785
57. Weir, M. G.; Myers, V. S.; Frenkel, A. I.; Crooks, R. M. ChemPhysChem 2010, 11, 2942 10.1002/cphc.201000452
58. Dowben, P.; Miller, A.; Vook, R. Gold Bull. 1987, 20, 54 10.1007/BF03214658
59. Deng, L.; Hu, W. Y.; Deng, H. Q.; Xiao, S. F.; Tang, J. F. J. Phys. Chem. C 2011, 115, 11355 10.1021/jp200642d
60. Zhang, Y.; Hsieh, Y. C.; Volkov, V.; Su, D.; An, W.; Si, R.; Zhu, Y. M.; Liu, P.; Wang, J. X.; Adzic, R. R. ACS Catal. 2014, 4, 738 10.1021/cs401091u
61. Carino, E. V.; Kim, H. Y.; Henkelman, G.; Crooks, R. M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 4153 10.1021/ja209115e
62. Ramirez-Caballero, G. E.; Ma, Y. G.; Callejas-Tovar, R.; Balbuena, P. B. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 2209 10.1039/b917899f
63. Herron, J. A.; Mavrikakis, M. Catal. Commun. 2014, 52, 65 10.1016/j.catcom.2013.10.021
64. Hammer, B.; Nørskov, J. K. Nature 1995, 376, 238 10.1038/376238a0
65. Rodriguez, P.; Garcia-Araez, N.; Koper, M. T. M. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 9373 10.1039/b926365a
66. Ruban, A. V.; Skriver, H. L. Comput. Mater. Sci. 1999, 15, 119 10.1016/S0927-0256(99)00003-8
67. Ruban, A. V.; Skriver, H. L.; Nørskov, J. K. Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. 1999, 59, 15990 10.1103/PhysRevB.59.15990
68. Mavrikakis, M.; Hammer, B.; Nørskov, J. K. Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 2819 10.1103/PhysRevLett.81.2819
69. Tripkovic, V.; Skúlason, E.; Siahrostami, S.; Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J. Electrochim. Acta 2010, 55, 7975 10.1016/j.electacta.2010.02.056
70. Grgur, B. N.; Marković, N. M.; Ross, P. N. Can. J. Chem. 1997, 75, 1465 10.1139/v97-176
71. Antolini, E. Energy Environ. Sci. 2009, 2, 915 10.1039/b820837a
72. Xing, Y. C.; Cai, Y.; Vukmirovic, M. B.; Zhou, W. P.; Karan, H.; Wang, J. X.; Adzic, R. R. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3238 10.1021/jz101297r
73. Greeley, J.; Nørskov, J. K. Surf. Sci. 2005, 592, 104 10.1016/j.susc.2005.07.018
74. Adzic, R. R.; Zhang, J.; Sasaki, K.; Vukmirovic, M. B.; Shao, M.; Wang, J. X.; Nilekar, A. U.; Mavrikakis, M.; Valerio, J. A.; Uribe, F. Top. Catal. 2007, 46, 249 10.1007/s11244-007-9003-x
75. Kang, Y. J.; Snyder, J.; Chi, M. F.; Li, D. G.; More, K. L.; Marković, N. M.; Stamenkovic, V. R. Nano Lett. 2014, 14, 6361 10.1021/nl5028205
76. Mayrhofer, K. J. J.; Juhart, V.; Hartl, K.; Hanzlik, M.; Arenz, M. Angew. Chem., Int. Ed. 2009, 48, 3529 10.1002/anie.200806209
77. Volker, E.; Williams, F. J.; Calvo, E. J.; Jacob, T.; Schiffrin, D. J. Phys. Chem. Chem. Phys. 2012, 14, 7448 10.1039/c2cp40565b
78. Jirkovsky, J. S.; Panas, I.; Romani, S.; Ahlberg, E.; Schiffrin, D. J. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 315 10.1021/jz201660t
79. Kwon, G.; Ferguson, G. A.; Heard, C. J.; Tyo, E. C.; Yin, C. R.; DeBartolo, J.; Seifert, S.; Winans, R. E.; Kropf, A. J.; Greeley, J.; Johnston, R. L.; Curtiss, L. A.; Pellin, M. J.; Vajda, S. ACS Nano 2013, 7, 5808 10.1021/nn400772s
80. Shao, M. H.; Huang, T.; Liu, P.; Zhang, J.; Sasaki, K.; Vukmirovic, M. B.; Adzic, R. R. Langmuir 2006, 22, 10409 10.1021/la0610553