Mechanistic Insights into Photocatalyzed Hydrogen Desorption from Palladium Surfaces Assisted by Localized Surface Plasmon Resonances

光化学 等离子体子 密度泛函理论 化学物理 激发态 乙炔 材料科学 分子 化学 原子物理学 计算化学 光电子学 物理 有机化学
作者
Vincent A. Spata,Emily A. Carter
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:12 (4): 3512-3522 被引量:73
标识
DOI:10.1021/acsnano.8b00352
摘要

Nanoparticles synthesized from plasmonic metals can absorb low-energy light, producing an oscillation/excitation of their valence electron density that can be utilized in chemical conversions. For example, heterogeneous photocatalysis can be achieved within heterometallic antenna-reactor complexes (HMARCs), by coupling a reactive center at which a chemical reaction occurs to a plasmonic nanoparticle that acts as a light-absorbing antenna. For example, HMARCs composed of aluminum antennae and palladium (Pd) reactive centers have been demonstrated recently to catalyze selective hydrogenation of acetylene to ethylene. Here, we explore within a theoretical framework the rate-limiting step of hydrogen photodesorption from a Pd surface—crucial to achieving partial rather than full hydrogenation of acetylene—to understand the mechanism behind the photodesorption process within the HMARC assembly. To properly describe electronic excited states of the metal–molecule system, we employ embedded complete active space self-consistent field and n-electron valence state perturbation theory to second order within density functional embedding theory. The results of these calculations reveal that the photodesorption mechanism does not create a frequently invoked transient negative ion species but instead enhances population of available excited-state, low-barrier pathways that exhibit negligible charge-transfer character.
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