Free-atom-like d states in single-atom alloy catalysts

化学 Atom(片上系统) 电子结构 化学物理 催化作用 合金 金属 计算化学 计算机科学 生物化学 嵌入式系统 有机化学
作者
Mark Greiner,Travis E. Jones,Sebastian Beeg,Leon Zwiener,Michael Scherzer,Frank Girgsdies,Simone Piccinin,Marc Armbrüster,Axel Knop‐Gericke,Robert Schlögl
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:10 (10): 1008-1015 被引量:586
标识
DOI:10.1038/s41557-018-0125-5
摘要

Alloying provides a means by which to tune a metal catalyst’s electronic structure and thus tailor its performance; however, mean-field behaviour in metals imposes limits. To access unprecedented catalytic behaviour, materials must exhibit emergent properties that are not simply interpolations of the constituent components’ properties. Here we show an emergent electronic structure in single-atom alloys, whereby weak wavefunction mixing between minority and majority elements results in a free-atom-like electronic structure on the minority element. This unusual electronic structure alters the minority element’s adsorption properties such that the bonding with adsorbates resembles the bonding in molecular metal complexes. We demonstrate this phenomenon with AgCu alloys, dilute in Cu, where the Cu d states are nearly unperturbed from their free-atom state. In situ electron spectroscopy demonstrates that this unusual electronic structure persists in reaction conditions and exhibits a 0.1 eV smaller activation barrier than bulk Cu in methanol reforming. Theory predicts that several other dilute alloys exhibit this phenomenon, which offers a design approach that may lead to alloys with unprecedented catalytic properties. In solid metals, electron orbitals form broad bands and their binding of adsorbates depends on the bandwidth. Now, it is shown that a weak solute–matrix interaction in dilute alloys results in extremely narrow electronic bands on the solute, similar to a free-atom electronic structure. This structure affords unique adsorption properties important for catalysis.
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