The interaction of Aun and Ptn(n=2,3) clusters with the stoichiometric and partially reduced rutile TiO2 (110) surfaces has been investigated using periodic slab and periodic electrostatic embedded cluster models. Compared to Au clusters, Pt clusters interact strongly with both stoichiometric and reduced TiO2 (110) surfaces and are able to enhance the reducibility of the TiO2 (110) surface, i.e., reduce the oxygen vacancy formation energy. The focus of this study is the effect of Hartree–Fock exchange on the description of the strength of chemical bonds at the interface of Au/Pt clusters and the TiO2 (110) surface. Hartree–Fock exchange helps describing the changes in the electronic structures due to metal cluster adsorption as well as their effect on the reducibility of the TiO2 surface. Finally, the performance of periodic embedded cluster models has been assessed by calculating the Pt adsorption and oxygen vacancy formation energies. Cluster models, together with hybrid PBE0 functional, are able to efficiently compute reasonable electronic structures of the reduced TiO2 surface and predict charge localization at surface oxygen vacancies, in agreement with the experimental data, that significantly affect computed adsorption and reaction energies.

1.
B. C.
Gates
,
Chem. Rev. (Washington, D.C.)
95
,
511
(
1995
);
D. W.
Goodman
,
Chem. Rev. (Washington, D.C.)
95
,
523
(
1995
);
Chemisorption and Reactivity on Supported Clusters and Thin Films: Towards an Understanding of Microscopic Processes in Catalysis
, edited by
R. M.
Lambert
and
G.
Pacchioni
(
Kluwer
,
Dordrecht
,
1997
).
M.
Haruta
,
Nature (London)
437
,
1098
(
2005
).
3.
M.
Valden
,
X.
Lai
, and
D. W.
Goodman
,
Science
281
,
1647
(
1998
).
4.
A. S. K.
Hashmi
and
G. J.
Hutchings
,
Angew. Chem., Int. Ed.
45
,
7896
(
2006
);
G. J.
Hutchings
,
M.
Brust
, and
H.
Schmidbaur
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
1759
(
2008
).
[PubMed]
5.
M.
Haruta
,
N.
Yamada
,
T.
Kobayashi
, and
S.
Iijima
,
J. Catal.
115
,
301
(
1989
);
G. C.
Bond
and
D. T.
Thompson
,
Catal. Rev. - Sci. Eng.
41
,
319
(
1999
).
6.
M.
Haruta
,
Gold Bull.
37
,
27
(
2004
).
7.
M.
Haruta
and
M.
Date
,
Appl. Catal., A
222
,
427
(
2001
);
T.
Hayashi
,
K.
Tanaka
, and
M.
Haruta
,
J. Catal.
178
,
566
(
1998
);
G.
Mul
,
A.
Zwijnenburg
,
B.
van der Linden
,
M.
Makkee
, and
J. A.
Moulijn
,
J. Catal.
201
,
128
(
2001
);
E. E.
Stangland
,
K. B.
Stavens
,
R. P.
Andres
, and
W. N.
Delgass
,
J. Catal.
191
,
332
(
2000
);
C. J.
Crump
,
J. D.
Gilbertson
, and
B. D.
Chandler
,
Top. Catal.
49
,
233
(
2008
);
Q. Y.
Li
,
K.
Wang
,
S. L.
Zhang
,
M.
Zhang
,
H. J.
Yang
, and
Z. S.
Jin
,
J. Mol. Catal. A: Chem.
258
,
83
(
2006
);
C. B.
Zhang
,
H.
He
, and
K.
Tanaka
,
Catal. Commun.
6
,
211
(
2005
).
8.
C.
Mohr
,
N.
Hofmeister
,
M.
Lucas
, and
P.
Claus
,
Chem. Eng. Technol.
23
,
324
(
2000
);
T. V.
Choudhary
,
C.
Sivadinarayana
,
A. K.
Datye
,
D.
Kumar
, and
D. W.
Goodman
,
Catal. Lett.
86
,
1
(
2003
);
M.
Boronat
,
P.
Concepcion
,
A.
Corma
,
S.
Gonzalez
,
F.
Illas
, and
P.
Serna
,
J. Am. Chem. Soc.
129
,
16230
(
2007
);
[PubMed]
X. X.
Han
,
R. X.
Zhou
,
G. H.
Lai
,
B. H.
Yue
, and
X. M.
Zheng
,
J. Mol. Catal. A: Chem.
209
,
83
(
2004
);
A.
Dandekar
and
M. A.
Vannice
,
J. Catal.
183
,
344
(
1999
).
9.
F.
Boccuzzi
,
A.
Chiorino
, and
M.
Manzoli
,
Surf. Sci.
502–503
,
513
(
2002
);
A.
Sandoval
,
A.
Gomez-Cortes
,
R.
Zanella
,
G.
Diaz
, and
J. M.
Saniger
,
J. Mol. Catal. A: Chem.
278
,
200
(
2007
);
G. P.
Wu
,
T.
Chen
,
W. G.
Su
,
G. H.
Zhou
,
X.
Zong
,
Z. B.
Lei
, and
C.
Li
,
Int. J. Hydrogen Energy
33
,
1243
(
2008
);
H.
Iida
and
A.
Igarashi
,
Appl. Catal., A
298
,
152
(
2006
);
K. G.
Azzam
,
I. V.
Babich
,
K.
Seshan
, and
L.
Lefferts
,
J. Catal.
251
,
153
(
2007
);
K. G.
Azzam
,
I. V.
Babich
,
K.
Seshan
, and
L.
Lefferts
,
J. Catal.
251
,
163
(
2007
);
C. M.
Kalamaras
,
P.
Panagiotopoulou
,
D. I.
Kondarides
, and
A. M.
Efstathiou
,
J. Catal.
264
,
117
(
2009
);
J. A.
Rodríguez
,
J.
Evans
,
J.
Graciani
,
J. B.
Park
,
P.
Liu
,
J.
Hrbek
, and
J. F.
Sanz
,
J. Phys. Chem. C
113
,
7364
(
2009
).
10.
R.
Burch
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
5483
(
2006
).
11.
E.
Dokou
,
E. E.
Stangland
,
R. P.
Andres
,
W. N.
Delgass
, and
M. A.
Barteau
,
Catal. Lett.
70
,
1
(
2000
).
12.
S.
Kielbassa
,
M.
Kinne
, and
R. J.
Behm
,
J. Phys. Chem. B
108
,
19184
(
2004
).
13.
S.
Ichikawa
,
T.
Akita
,
M.
Okumura
,
M.
Haruta
,
K.
Tanaka
, and
M.
Kohyama
,
J. Electron Microsc.
52
,
21
(
2003
).
14.
Y. S.
Su
,
M. Y.
Lee
, and
S. D.
Lin
,
Catal. Lett.
57
,
49
(
1999
);
J.
Ruiz-Martínez
,
A.
Sepúlveda-Escribano
,
J. A.
Anderson
, and
F.
Rodríguez-Reinoso
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
11
,
917
(
2009
);
[PubMed]
S.
Lee
,
C. Y.
Fan
,
T. P.
Wu
, and
S. L.
Anderson
,
Surf. Sci.
578
,
5
(
2005
);
S.
Lee
,
C. Y.
Fan
,
T. P.
Wu
, and
S. L.
Anderson
,
J. Chem. Phys.
123
,
124710
(
2005
);
[PubMed]
T. P.
Wu
,
W. E.
Kaden
, and
S. L.
Anderson
,
J. Phys. Chem. C
112
,
9006
(
2008
).
15.
K. D.
Schierbaum
,
S.
Fischer
,
M. C.
Torquemada
,
J. L.
deSegovia
,
E.
Roman
, and
J. A.
MartinGago
,
Surf. Sci.
345
,
261
(
1996
).
16.
O.
Ozturk
,
J. B.
Park
,
S.
Ma
,
J. S.
Ratliff
,
J.
Zhou
,
D. R.
Mullins
, and
D. A.
Chen
,
Surf. Sci.
601
,
3099
(
2007
).
17.
Y. M.
Shul’ga
,
A. Y.
Stakheev
,
N. S.
Telegina
,
O. N.
Tkachenko
, and
K. M.
Minachev
,
Dokl. Phys. Chem.
379
,
199
(
2001
).
18.
T.
Akita
,
P.
Lu
,
S.
Ichikawa
,
K.
Tanaka
, and
M.
Haruta
,
Surf. Interface Anal.
31
,
73
(
2001
).
19.
S.
Fischer
,
K. D.
Schierbaum
, and
W.
Gopel
,
Vacuum
48
,
601
(
1997
);
N.
Isomura
,
X. Y.
Wu
, and
Y.
Watanabe
,
J. Chem. Phys.
131
,
164707
(
2009
);
[PubMed]
R.
Lazzari
,
G.
Renaud
,
J.
Jupille
, and
F.
Leroy
,
Phys. Rev. B
76
,
125412
(
2007
);
X.
Tong
,
L.
Benz
,
S.
Chretien
,
H.
Metiu
,
M. T.
Bowers
, and
S. K.
Buratto
,
J. Phys. Chem. C
114
,
3987
(
2010
);
X.
Tong
,
L.
Benz
,
P.
Kemper
,
H.
Metiu
,
M. T.
Bowers
, and
S. K.
Buratto
,
J. Am. Chem. Soc.
127
,
13516
(
2005
).
[PubMed]
20.
O.
Dulub
,
W.
Hebenstreit
, and
U.
Diebold
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
3646
(
2000
).
21.
S. J.
Tauster
,
Acc. Chem. Res.
20
,
389
(
1987
);
W. X.
Xu
,
K. D.
Schierbaum
, and
W.
Goepel
,
J. Solid State Chem.
119
,
237
(
1995
);
F.
Pesty
,
H. P.
Steinruck
, and
T. E.
Madey
,
Surf. Sci.
339
,
83
(
1995
);
D. R.
Jennison
,
O.
Dulub
,
W.
Hebenstreit
, and
U.
Diebold
,
Surf. Sci.
492
,
L677
(
2001
);
A. K.
Datye
,
D. S.
Kalakkad
,
M. H.
Yao
, and
D. J.
Smith
,
J. Catal.
155
,
148
(
1995
).
22.
L.
Zhang
,
R.
Persaud
, and
T. E.
Madey
,
Phys. Rev. B
56
,
10549
(
1997
).
23.
G.
Pacchioni
,
J. Chem. Phys.
128
,
182505
(
2008
);
[PubMed]
J. L. F.
Da Silva
,
M. V.
Ganduglia-Pirovano
,
J.
Sauer
,
V.
Bayer
, and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
75
,
045121
(
2007
).
24.
C.
Di Valentin
,
G.
Pacchioni
, and
A.
Selloni
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
166803
(
2006
).
25.
A. M.
Burow
,
M.
Sierka
,
J.
Dobler
, and
J.
Sauer
,
J. Chem. Phys.
130
,
174710
(
2009
).
26.
R.
Ahlrichs
,
M.
Bar
,
M.
Haser
,
H.
Horn
, and
C.
Kolmel
,
Chem. Phys. Lett.
162
,
165
(
1989
);
O.
Treutler
and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
102
,
346
(
1995
).
27.
C. G.
Lambert
,
T. A.
Darden
, and
J. A.
Board
,
J. Comput. Phys.
126
,
274
(
1996
);
K. N.
Kudin
and
G. E.
Scuseria
,
Chem. Phys. Lett.
283
,
61
(
1998
);
K. N.
Kudin
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
121
,
2886
(
2004
).
[PubMed]
28.
C. M.
Yim
,
C. L.
Pang
, and
G.
Thornton
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
259704
(
2010
);
[PubMed]
S.
Wendt
,
P. T.
Sprunger
,
E.
Lira
,
G. K. H.
Madsen
,
Z. S.
Li
,
J. O.
Hansen
,
J.
Matthiesen
,
A.
Blekinge-Rasmussen
,
E.
Laegsgaard
,
B.
Hammer
, and
F.
Besenbacher
,
Science
320
,
1755
(
2008
).
[PubMed]
29.
J.
Muscat
,
A.
Wander
, and
N. M.
Harrison
,
Chem. Phys. Lett.
342
,
397
(
2001
);
T.
Bredow
and
G.
Pacchioni
,
Chem. Phys. Lett.
355
,
417
(
2002
).
30.
C.
Di Valentin
,
G.
Pacchioni
, and
A.
Selloni
,
J. Phys. Chem. C
113
,
20543
(
2009
).
31.
B. J.
Morgan
and
G. W.
Watson
,
Surf. Sci.
601
,
5034
(
2007
).
32.
G.
Kresse
and
J.
Furthmuller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
);
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
);
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
);
G.
Kresse
and
J.
Furthmuller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
33.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
34.
G.
Makov
and
M. C.
Payne
,
Phys. Rev. B
51
,
4014
(
1995
).
W. Matthew C.
Foulkes
and
R.
Haydock
,
Phys. Rev. B
39
,
12520
(
1989
).
36.
J. P.
Perdew
and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. B
45
,
13244
(
1992
).
37.
J. P.
Perdew
,
M.
Emzerhof
, and
K.
Burke
,
J. Chem. Phys.
105
,
9982
(
1996
).
38.
B. I.
Dunlap
,
J. W. D.
Connolly
, and
J. R.
Sabin
,
J. Chem. Phys.
71
,
3396
(
1979
);
K.
Eichkorn
,
O.
Treutler
,
H.
Ohm
,
M.
Haser
, and
R.
Ahlrichs
,
Chem. Phys. Lett.
242
,
652
(
1995
).
39.
TURBOMOLE, version 6.0, University of Karlsruhe and Forschungszentrum Karlsruhe GmbH,
2009
.
40.
P. J.
Hay
and
W. R.
Wadt
,
J. Chem. Phys.
82
,
270
(
1985
).
41.
T.
Bredow
and
G.
Pacchioni
,
Surf. Sci.
426
,
106
(
1999
).
42.
L.
Giordano
,
G.
Pacchioni
,
T.
Bredow
, and
J. F.
Sanz
,
Surf. Sci.
471
,
21
(
2001
).
43.
J. F.
Sanz
,
N. C.
Hernandez
, and
A.
Marquez
,
Theor. Chem. Acc.
104
,
317
(
2000
).
44.
A.
Schäfer
,
C.
Huber
, and
R.
Ahlrichs
,
J. Chem. Phys.
100
,
5829
(
1994
).
45.
D.
Andrae
,
U.
Haussermann
,
M.
Dolg
,
H.
Stoll
, and
H.
Preuss
,
Theor. Chim. Acta
77
,
123
(
1990
).
46.
S. F.
Boys
and
F.
Bernardi
,
Mol. Phys.
19
,
553
(
1970
).
47.
S.
Kurth
,
J. P.
Perdew
, and
P.
Blaha
,
Int. J. Quantum Chem.
75
,
889
(
1999
).
48.
J. K.
Nørskov
,
J.
Rossmeisl
,
A.
Logadottir
,
L.
Lindqvist
,
J. R.
Kitchin
,
T.
Bligaard
, and
H.
Jónsson
,
J. Phys. Chem. B
108
,
17886
(
2004
).
49.
P. W.
Atkins
,
Physical Chemistry
, 6th ed. (
Oxford University Press
,
Oxford
,
1998
).
50.
J. A.
Pople
,
M.
Headgordon
,
D. J.
Fox
,
K.
Raghavachari
, and
L. A.
Curtiss
,
J. Chem. Phys.
90
,
5622
(
1989
).
51.
H.
Iddir
,
S.
Ogut
,
N. D.
Browning
, and
M. M.
Disko
,
Phys. Rev. B
72
,
081407
(
2005
);
H.
Iddir
,
S.
Ogut
,
N. D.
Browning
, and
M. M.
Disko
,
Phys. Rev. B
73
,
039902
(E) (
2006
).
52.
H.
Iddir
,
V.
Skavysh
,
S.
Ogut
,
N. D.
Browning
, and
M. M.
Disko
,
Phys. Rev. B
73
,
041403
(
2006
).
53.
A. E.
Reed
,
R. B.
Weinstock
, and
F.
Weinhold
,
J. Chem. Phys.
83
,
735
(
1985
).
54.
P.
Reinhardt
,
M.
Causa
,
C. M.
Marian
, and
B. A.
Hess
,
Phys. Rev. B
54
,
14812
(
1996
).
55.
C. T.
Lee
,
W. T.
Yang
, and
R. G.
Parr
,
Phys. Rev. B
37
,
785
(
1988
).
56.
T.
Schwabe
and
S.
Grimme
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
9
,
3397
(
2007
);
[PubMed]
F.
Neese
,
T.
Schwabe
, and
S.
Grimme
,
J. Chem. Phys.
126
,
124115
(
2007
);
[PubMed]
T.
Schwabe
and
S.
Grimme
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
4398
(
2006
).
[PubMed]
57.
M.
Piacenza
,
I.
Hyla-Kryspin
, and
S.
Grimme
,
J. Comput. Chem.
28
,
2275
(
2007
);
[PubMed]
T.
Schwabe
and
S.
Grimme
,
Acc. Chem. Res.
41
,
569
(
2008
).
[PubMed]
58.
A. D.
Becke
,
J. Chem. Phys.
98
,
5648
(
1993
).
59.
R.
Huenerbein
,
B.
Schirmer
,
J.
Moellmann
, and
S.
Grimme
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
6940
(
2010
);
[PubMed]
T.
Schwabe
and
S.
Grimme
,
J. Phys. Chem. Lett.
1
,
1201
(
2010
);
S.
Grimme
and
J. P.
Djukic
,
Inorg. Chem.
49
,
2911
(
2010
).
[PubMed]
60.
S.
Chrétien
and
H.
Metiu
,
J. Chem. Phys.
127
,
244708
(
2007
).
61.
X. Y.
Wu
,
A.
Selloni
, and
S. K.
Nayak
,
J. Chem. Phys.
120
,
4512
(
2004
).
62.
A.
Vijay
,
G.
Mills
, and
H.
Metiu
,
J. Chem. Phys.
118
,
6536
(
2003
);
M. D.
Rasmussen
,
L. M.
Molina
, and
B.
Hammer
,
J. Chem. Phys.
120
,
988
(
2004
);
[PubMed]
K. J.
Hameeuw
,
G.
Cantele
,
D.
Ninno
,
F.
Trani
, and
G.
Iadonisi
,
J. Chem. Phys.
124
,
024708
(
2006
);
[PubMed]
S. J.
Thompson
and
S. P.
Lewis
,
Phys. Rev. B
73
,
073403
(
2006
);
T.
Bredow
,
L.
Giordano
,
F.
Cinquini
, and
G.
Pacchioni
,
Phys. Rev. B
70
,
035419
(
2004
).
63.
R. L.
Kurtz
,
R.
Stockbauer
,
T. E.
Madey
,
E.
Roman
, and
J. L.
Desegovia
,
Surf. Sci.
218
,
178
(
1989
);
M. A.
Henderson
,
W. S.
Epling
,
C. H. F.
Peden
, and
C. L.
Perkins
,
J. Phys. Chem. B
107
,
534
(
2003
).
64.
J. G.
Wang
and
B.
Hammer
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
136107
(
2006
);
[PubMed]
D.
Pillay
and
G. S.
Hwang
,
J. Mol. Struct.: THEOCHEM
771
,
129
(
2006
);
D.
Pillay
and
G. S.
Hwang
,
Phys. Rev. B
72
,
205422
(
2005
);
D.
Matthey
,
J. G.
Wang
,
S.
Wendt
,
J.
Matthiesen
,
R.
Schaub
,
E.
Laegsgaard
,
B.
Hammer
, and
F.
Besenbacher
,
Science
315
,
1692
(
2007
);
[PubMed]
Y.
Wang
and
G. S.
Hwang
,
Surf. Sci.
542
,
72
(
2003
).
65.
G. K. H.
Madsen
and
B.
Hammer
,
J. Chem. Phys.
130
,
044704
(
2009
).
66.
N.
Lopez
and
J. K.
Norskov
,
Surf. Sci.
515
,
175
(
2002
).
67.
S.
Chrétien
and
H.
Metiu
,
J. Chem. Phys.
127
,
084704
(
2007
).
68.
T.
Pabisiak
and
A.
Kiejna
,
Phys. Rev. B
79
,
085411
(
2009
).
69.
Y.
Han
,
C. J.
Liu
, and
Q. F.
Ge
,
J. Phys. Chem. C
111
,
16397
(
2007
);
E.
Mete
,
D.
Uner
,
O.
Gulseren
, and
S.
Ellialtioglu
,
Phys. Rev. B
79
,
125418
(
2009
).
70.
Y.
Han
,
C. J.
Liu
, and
Q. F.
Ge
,
J. Phys. Chem. B
110
,
7463
(
2006
).
71.
Q.
Fu
,
W. L.
Deng
,
H.
Saltsburg
, and
M.
Flytzani-Stephanopoulos
,
Appl. Catal., B
56
,
57
(
2005
);
Q.
Fu
,
H.
Saltsburg
, and
M.
Flytzani-Stephanopoulos
,
Science
301
,
935
(
2003
).
[PubMed]
72.
D.
Tibiletti
,
A.
Amieiro-Fonseca
,
R.
Burch
,
Y.
Chen
,
J. M.
Fisher
,
A.
Goguet
,
C.
Hardacre
,
P.
Hu
, and
A.
Thompsett
,
J. Phys. Chem. B
109
,
22553
(
2005
).
73.
R. F. W.
Bader
,
Atoms in Molecules: A Quantum Theory
(
Clarendon
,
Oxford
,
1990
).
74.
C. J.
Cramer
,
Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models
(
Wiley
,
West Sussex
,
2007
), Chap. 9.
75.
T.
Tamura
,
S.
Ishibashi
,
K.
Terakura
, and
H. M.
Weng
,
Phys. Rev. B
80
,
195302
(
2009
).
76.
Y.
Chen
,
P.
Crawford
, and
P.
Hu
,
Catal. Lett.
119
,
21
(
2007
);
A.
Goguet
,
F.
Meunier
,
J. P.
Breen
,
R.
Burch
,
M. I.
Petch
, and
A. F.
Ghenciu
,
J. Catal.
226
,
382
(
2004
).
You do not currently have access to this content.