Alloy Reorganization and Dynamics in Group-10-Metal–Gallium Nanoparticles under Reactive Atmospheres: Impact on Local Environment and Reactivity

化学 反应性(心理学) 群(周期表) 纳米颗粒 金属 合金 光化学 纳米技术 有机化学 医学 病理 材料科学 替代医学
作者
Quentin Pessemesse,Alexandre Perochon,Christophe Copéret,Lionel Perrin,Pierre‐Adrien Payard
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c01968
摘要

Bimetallic nanoparticles are catalysts for reactions such as COx hydrogenation or propane dehydrogenation. Recently, gallium has been identified as a promoter, which enables dispersion of transition metal sites, increasing their activity and selectivity. However, quantitative information on alloying dynamics under reaction conditions is not readily available, and a general computational method to access such information is lacking. Here, an ab initio molecular dynamics workflow with enhanced sampling methods is used to probe the alloying behavior of Ni-, Pd-, and Pt-Ga nanoparticles under operating conditions (T = 600 °C) in the presence of H2 or CO. The three metals display different alloying behaviors with Ga: Ni forms a core surrounded by gallium, while Pd and Pt form different alloyed structures. Both H2 and CO shift the alloying states to different extents. A set of three descriptors is then proposed to compare and quantify the alloying behavior of these catalyst models: (i) the position αmin of the most stable alloying state; (ii) the curvature η of the free energy at αmin, referred to as the alloying hardness; and (iii) the skew κ of the free energy at αmin, which relates to its propensity to alloy or segregate. The cost of alloy reorganization, which correlates with alloy hardness, is a major part of the free energy barriers of propane dehydrogenation. Since the alloying behavior of a catalyst is a critical parameter that is overlooked in catalyst design, quantitative descriptors are the first step in designing alloys with set catalytic properties.
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