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Ethylene Epoxidation on Ag(100), Ag(110), and Ag(111): A Joint Ab Initio and Kinetic Monte Carlo Study and Comparison with Experiments
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2018-12-27 00:00:00 , DOI: 10.1021/acscatal.8b04512 Matej Huš 1, 2 , Anders Hellman 1
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2018-12-27 00:00:00 , DOI: 10.1021/acscatal.8b04512 Matej Huš 1, 2 , Anders Hellman 1
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Ethylene epoxidation is commercially one of the most important selective oxidation reactions. Despite extensive research into different catalytic materials, silver catalysts remain unrivaled in industrial applications, albeit with significant doping. Experiments have already shown that different silver facets exhibit different catalytic performance in terms of turnover frequencies as well as selectivity. In this work, we present extensive first-principles simulations and kinetic Monte Carlo (KMC) modeling of the reaction on the three pristine silver surfaces Ag(100), Ag(110), and Ag(111) and on the missing-row reconstructed Ag(110). To better understand the kinetics on different surfaces and veraciously describe the surface coverages, we explicitly take into account the lateral interactions between the adsorbates and their effect on the activation barriers. We show that the most stable Ag(111) surface maintains very low oxygen coverage while being the least active surface and only moderately selective. Ag(100) at high oxygen coverage is, on the other hand, shown to exhibit the highest selectivity. Both pristine and reconstructed Ag(110) surfaces lack any substantial selectivity but are the most active. A comparison with the bulk experimental data shows a good agreement with the modeling data for Ag(111), as this is the most stable facet and thus is expected to be prevalent in catalysts without special treatment. Experimental results on silver nanowires are, however, more consistent with the modeling on Ag(100), which is the main facet therein.
中文翻译：
乙烯在Ag（100），Ag（110）和Ag（111）上的环氧氧化：从头算和动力学的蒙特卡洛联合研究及与实验的比较
乙烯环氧化是商业上最重要的选择性氧化反应之一。尽管对不同的催化材料进行了广泛的研究，但是尽管有大量的掺杂，但银催化剂在工业应用中仍然是无与伦比的。实验已经表明，就周转频率和选择性而言，不同的银面表现出不同的催化性能。在这项工作中，我们介绍了在三个原始银表面Ag（100），Ag（110）和Ag（111）以及缺失行重构后的反应的广泛的第一性原理模拟和动力学蒙特卡洛（KMC）建模银（110）。为了更好地了解不同表面上的动力学并准确描述表面覆盖率，我们明确考虑了被吸附物之间的横向相互作用及其对活化屏障的影响。我们表明，最稳定的Ag（111）表面保持非常低的氧覆盖率，同时是最不活跃的表面，并且仅具有中等选择性。另一方面，在高氧覆盖率下的Ag（100）显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。但是，在银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。我们表明，最稳定的Ag（111）表面保持非常低的氧覆盖率，同时是最不活跃的表面，并且仅具有中等选择性。另一方面，在高氧覆盖率下的Ag（100）显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。我们表明，最稳定的Ag（111）表面保持非常低的氧覆盖率，同时是最不活跃的表面，并且仅具有中等选择性。另一方面，在高氧覆盖率下的Ag（100）显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。另一方面，显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。但是，在银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。另一方面，显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。因为这是最稳定的方面，因此有望在未经特殊处理的情况下普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。因为这是最稳定的方面，因此有望在未经特殊处理的情况下普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。
更新日期：2018-12-27
中文翻译：
乙烯在Ag（100），Ag（110）和Ag（111）上的环氧氧化：从头算和动力学的蒙特卡洛联合研究及与实验的比较
乙烯环氧化是商业上最重要的选择性氧化反应之一。尽管对不同的催化材料进行了广泛的研究，但是尽管有大量的掺杂，但银催化剂在工业应用中仍然是无与伦比的。实验已经表明，就周转频率和选择性而言，不同的银面表现出不同的催化性能。在这项工作中，我们介绍了在三个原始银表面Ag（100），Ag（110）和Ag（111）以及缺失行重构后的反应的广泛的第一性原理模拟和动力学蒙特卡洛（KMC）建模银（110）。为了更好地了解不同表面上的动力学并准确描述表面覆盖率，我们明确考虑了被吸附物之间的横向相互作用及其对活化屏障的影响。我们表明，最稳定的Ag（111）表面保持非常低的氧覆盖率，同时是最不活跃的表面，并且仅具有中等选择性。另一方面，在高氧覆盖率下的Ag（100）显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。但是，在银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。我们表明，最稳定的Ag（111）表面保持非常低的氧覆盖率，同时是最不活跃的表面，并且仅具有中等选择性。另一方面，在高氧覆盖率下的Ag（100）显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。我们表明，最稳定的Ag（111）表面保持非常低的氧覆盖率，同时是最不活跃的表面，并且仅具有中等选择性。另一方面，在高氧覆盖率下的Ag（100）显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。另一方面，显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。但是，在银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。另一方面，显示出最高的选择性。原始和重建的Ag（110）表面都没有任何实质性的选择性，但活性最高。与大量实验数据的比较表明，Ag（111）的建模数据与该数据非常吻合，因为这是最稳定的方面，因此预计在未经特殊处理的情况下会普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。因为这是最稳定的方面，因此有望在未经特殊处理的情况下普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。因为这是最稳定的方面，因此有望在未经特殊处理的情况下普遍存在于催化剂中。然而，银纳米线上的实验结果与其中主要方面Ag（100）上的建模更加一致。
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