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07.09.2016 | Original Paper | Ausgabe 6-7/2017

Topics in Catalysis 6-7/2017

Adsorption and Dimerization of Late Transition Metal Atoms on the Regular and Defective Quartz (001) Surface

Zeitschrift:
Topics in Catalysis > Ausgabe 6-7/2017
Autoren:
Philomena Schlexer, Gianfranco Pacchioni

Abstract

Using a density functional theory approach with dispersion corrections, we have studied the adsorption properties of Co, Rh, Ir, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au monomers and dimers on the hydroxylated surface of α-quartz. We also considered the interaction with ≡Si–O paramagnetic centers (NBO centers) or with silanols (≡Si–O–H) to form a ≡Si–O–TMx (x = 1, 2) group and a 1/2 H2 molecule. On the hydroxylated surface, the TM atoms bind relatively weakly, while strong adsorption energies of 4–5 eV are found on the NBO center where due to the coupling of the unpaired electron of the ≡Si–O unit and the valence states of the metal atom. The TM atoms can react with the silanol groups releasing H2 and forming a stable ≡Si–O–TM complex with exothermic reactions. Dimers arriving from the gas-phase interact with the hydroxylated quartz surface with energies between 0.5 and 1.4 eV. If two TM atoms diffusing on the surface form a dimer, they release a large amount of energy which largely exceeds the dimer adsorption energy, leading to possible dimer desorption (with the exception of Pd). Also dimers bind strongly to NBO centers. Here the dimerization energies are considerably smaller than the desorption energy showing that the NBO sites act as effective nucleation centers. Differently from TM atoms, only some of the dimers react with ≡Si–O–H groups.

Graphical Abstract

Adsorption and nucleation of late transition metal atoms on quartz (001) surface.

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