Modification of ceria catalysts is of great interest for oxidation reactions such as oxidative dehydrogenation of alcohols. Improving the reactivity of ceria based catalysts for these reactions means that they can be run at lower temperatures and density functional theory (DFT) simulations of new structures and compositions are proving valuable in the development of these catalysts. In this paper, we have used DFT+U (DFT corrected for on-site Coulomb interactions) to examine the reactivity of a novel modification of ceria, namely, modifying with TiO2, using the example of a Ti2O4 species adsorbed on the ceria (111) surface. The oxygen vacancy formation energy in the Ti2O4–CeO2 system is significantly reduced over the bare ceria surfaces, which together with previous work on ceria-titania indicates that the presence of the interface favours oxygen vacancy formation. The energy gain upon hydrogenation of the catalyst, which is the rate determining step in oxidative dehydrogenation, further points to the improved oxidation power of this catalyst structure.

1.
A.
Trovarelli
,
Catalysis by Ceria and Related Materials
(
Imperial College
,
UK
,
2002
).
2.
A.
Trovarelli
,
Catal. Rev. - Sci. Eng.
38
,
439
(
1996
).
3.
R. J.
Gorte
,
AIChE J.
56
,
1126
(
2010
).
4.
L.
Vivier
and
D.
Duprez
,
ChemSusChem
3
,
654
(
2010
).
5.
M. A.
Henderson
,
C. L.
Perkins
,
M. H.
Engelhard
,
S.
Thevuthasan
, and
C. H. F.
Penden
,
Surf. Sci.
526
,
1
(
2003
).
6.
L.
Chen
,
P.
Fleming
,
V.
Morris
,
J. D.
Holmes
, and
M. A.
Morris
,
J. Phys. Chem. C
114
,
12909
(
2010
).
7.
S.
Bedrane
,
C.
Descorme
, and
D.
Duprez
,
Catal. Today
75
,
401
(
2002
).
8.
W.
Li
,
F. J.
Garcia
, and
E. E.
Wolf
,
Catal. Today
81
,
437
(
2003
).
9.
M.
Nolan
and
G. W.
Watson
,
J. Phys. Chem. B
110
,
16600
(
2006
).
10.
M.
Huang
and
S.
Fabris
,
J. Phys. Chem. C
112
,
8643
(
2008
).
11.
E.
Aneggi
,
J.
Llorca
,
M.
Boaro
, and
A.
Trovarelli
,
J. Catal.
234
,
88
(
2005
).
12.
K. B.
Zhou
,
X.
Wang
,
X. M.
Sun
,
Q.
Peng
, and
Y. D.
Li
,
J. Catal.
229
,
206
(
2005
).
13.
G. S.
Wong
,
M. R.
Concepcion
, and
J. M.
Vohs
,
J. Phys. Chem. B
106
,
6451
(
2002
).
14.
I.-C.
Marcu
,
M. N.
Urlan
,
A.
Redey
, and
I.
Sandulescu
,
C. R. Chim.
13
,
365
(
2010
).
15.
W.
Daniell
,
A.
Ponchel
,
S.
Kuba
,
F.
Anderle
,
T.
Weingand
,
D. H.
Gregory
, and
H.
Knözinger
,
Top. Catal.
20
,
65
(
2002
).
16.
P. G.
Harrison
and
W.
Daniell
,
Chem. Mater.
13
,
1708
(
2001
).
17.
Z.
Yang
,
T. K.
Woo
, and
K.
Hermansson
,
J. Chem. Phys.
124
,
224704
(
2006
).
18.
W. Y.
Hernandez
,
M. A.
Centeno
,
F.
Romero-Sarria
, and
J. A.
Odriozola
,
J. Phys. Chem. C
113
,
5629
(
2009
).
19.
S.
Imamura
,
T.
Higashihara
,
Y.
Saito
,
H.
Aritani
,
H.
Kanai
,
Y.
Matsumura
, and
N.
Tsuda
,
Catal. Today
50
,
369
(
1999
).
20.
H. P.
Sun
,
X. P.
Pan
,
G. W.
Graham
,
H.-W.
Jen
,
R. W.
McCabe
,
S.
Thevuthasan
, and
C. H. F.
Penden
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
201915
(
2005
).
21.
B. M.
Reddy
,
P.
Bharali
,
P.
Saikia
,
A.
Kahn
,
S.
Loridant
,
M.
Muhler
, and
W.
Gruenert
,
J. Phys. Chem. C
111
,
1878
(
2007
).
22.
R.
Dziembaj
,
M.
Molenda
,
L.
Chmielarz
,
M.
Drozdek
,
M. M.
Zaitz
,
B.
Dudek
,
A.
Rafalska-Lasocha
, and
Z.
Piwowarska
,
Catal. Lett.
135
,
68
(
2010
).
23.
D. R.
Ou
,
T.
Mori
,
F.
Ye
,
T.
Kobayashi
,
J.
Zuo
,
G.
Auchterlonie
, and
J.
Drennan
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
171911
(
2006
).
24.
G.
Dutta
,
U. V.
Waghmare
,
T.
Baidya
,
M. S.
Hegde
,
K. R.
Priolkar
, and
P. R.
Sarode
,
Catal. Lett.
108
,
165
(
2006
).
25.
G.
Dutta
,
U. V.
Waghmare
,
T.
Baidya
,
M. S.
Hegde
,
K. R.
Priolkar
, and
P. R.
Sarode
,
Chem. Mater.
18
,
3249
(
2006
).
26.
H.
Kadowaki
,
N.
Saito
,
H.
Nishiyama
, and
Y.
Inoue
,
Chem. Lett.
36
,
440
(
2007
).
27.
Z.-P.
Liu
,
S. J.
Jenkins
, and
D. A.
King
,
Phys. Rev. Lett.
94
,
196102
(
2005
).
28.
C.
Zhang
,
A.
Michaelides
,
D. A.
King
, and
S. J.
Jenkins
,
J. Phys. Chem. C
113
,
6411
(
2009
).
29.
M.
Nolan
,
J. Phys. Chem. C
113
,
2425
(
2009
).
30.
I.
Yeriskin
and
M.
Nolan
,
J. Phys. Condens. Matter
22
,
135004
(
2010
).
31.
W.
Tang
,
Z.
Hu
,
M.
Wang
,
G. D.
Stucky
,
H.
Metiu
, and
E. W.
McFarland
,
J. Catal.
273
,
125
(
2010
).
32.
P.
Panagiotopoulou
and
D. I.
Kondarides
,
Catal. Today
112
,
49
(
2006
).
33.
M.
Flytzani-Stephanopoulos
and
B. C.
Gates
,
Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng.
3
,
545
(
2012
).
34.
Z.
Yang
,
Q.
Wang
, and
S.
Wei
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
9363
(
2011
).
35.
G. N.
Vayssilov
,
Y.
Lykhach
,
A.
Migani
,
T.
Staudt
,
G. P.
Petrova
,
N.
Tsud
,
T.
Skala
,
A.
Bruix
,
F.
Illas
,
K. C.
Prince
,
V.
Matolin
,
K. M.
Neyman
, and
J.
Libuda
,
Nature Mater.
10
,
310
(
2011
).
36.
A.
Khodakov
,
B.
Olthof
,
A. T.
Bell
, and
E.
Iglesia
,
J. Catal.
181
,
205
(
1999
).
37.
H. L.
Abbott
,
A.
Uhl
,
M.
Baron
,
Y.
Lei
,
R. J.
Meyer
,
D.
Stacchiola
,
O.
Bondarchuk
,
S.
Shaikhutdinov
, and
H. J.
Freund
,
J. Catal.
272
,
82
(
2010
).
38.
S.
Agnoli
,
M.
Sambi
,
G.
Granozzi
,
C.
Castellarin-Cudioa
,
S.
Surnev
,
M. G.
Ramsey
, and
F. P.
Netzer
,
Surf. Sci.
562
,
150
(
2004
).
39.
M.
Della Negra
,
M.
Sambi
, and
G.
Granozzi
,
Surf. Sci.
494
,
213
(
2001
).
40.
M.
Baron
,
H. L.
Abbott
,
O.
Bondarchuk
,
D.
Stacchiola
,
A.
Uhl
,
S.
Shaikhutdinov
,
H.-J.
Freund
,
C.
Popa
,
M. V.
Ganduglia-Pirovano
, and
J.
Sauer
,
Angew. Chem., Int. Ed.
48
,
8006
(
2009
).
41.
C.
Popa
,
M. V.
Ganduglia-Pirovano
, and
J.
Sauer
,
J. Phys. Chem. C
115
,
7399
(
2011
).
42.
M. V.
Ganduglia-Pirovano
,
C.
Popa
,
J.
Sauer
,
H.
Abbott
,
A.
Uhl
,
M.
Baron
,
D.
Stacchiola
,
O.
Bondarchuk
,
S.
Shaikhutdinov
, and
H.-J.
Freund
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
2345
(
2010
).
43.
M. D.
Argyle
,
K.
Chen
,
A. T.
Bell
, and
E.
Iglesia
,
J. Phys. Chem. B
106
,
5421
(
2002
).
44.
B.
Kilos
,
A. T.
Bell
, and
I.
Iglesia
,
J. Phys. Chem. C
113
,
2830
(
2009
).
45.
J. N.
Brønsted
,
Chem. Rev.
5
,
231
(
1928
).
46.
M. G.
Evans
and
M.
Polanyi
,
Trans. Faraday Soc.
34
,
11
(
1938
).
47.
H. Y.
Kim
,
H. M.
Lee
,
R. G. S.
Pala
,
V.
Shapovalov
, and
H.
Metiu
,
J. Phys. Chem. C
112
,
12398
(
2008
).
48.
J.
Sauer
and
J.
Doebler
,
Dalton Trans.
2004
,
3116
.
49.
J. A.
Rodriguez
,
J.
Evans
,
J.
Graciani
,
J. B.
Park
,
P.
Liu
,
J.
Hrbek
, and
J. Fdez.
Sanz
,
J. Phys. Chem. C
113
,
7364
(
2009
).
50.
J. B.
Park
,
J.
Graciani
,
J.
Evans
,
D.
Stacchiola
,
S.
Ma
,
P.
Liu
,
A.
Nambu
,
J. F.
Sanz
,
J.
Hrbek
, and
J. A.
Rodriguez
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
106
,
4975
(
2009
).
51.
J.
Graciani
,
J. J.
Plata
,
J. F.
Sanz
,
P.
Liu
, and
J. A.
Rodriguez
,
J. Chem. Phys.
132
,
104703
(
2010
).
52.
J. B.
Park
,
J.
Graciani
,
J.
Evans
,
D.
Stacchiola
,
S. D.
Senanayake
,
L.
Barrio
,
P.
Liu
,
J. F.
Sanz
,
J.
Hrbek
, and
J. A.
Rodriguez
,
J. Am. Chem. Soc.
132
,
356
(
2010
).
53.
Y.
Fan
,
Y. M.
Choi
,
S.
Agnoli
,
P.
Liu
,
D.
Stacchiola
,
J.
Hrbek
, and
J. A.
Rodriguez
,
J. Phys. Chem. C
115
,
23062
(
2011
).
54.
J. A.
Rodriguez
and
D.
Stacchiola
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
9557
(
2010
).
55.
A. C.
Johnston-Peck
,
S. D.
Senanayake
,
J. J.
Plata
,
S.
Kundu
,
W.
Xu
,
L.
Barrio
,
J.
Graciani
,
J. F.
Sanz
,
R. M.
Navarro
,
J. L. G.
Fierro
,
E. A.
Stach
, and
J. A.
Rodriguez
,
J. Phys. Chem. C
117
,
14463
(
2013
).
56.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
);
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
57.
P. E.
Blöchl
,
Phys. Rev. B
50
,
17953
(
1994
);
D.
Joubert
and
G.
Kresse
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
58.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
59.
V. I.
Anisimov
,
J.
Zaanen
, and
O. K.
Andersen
,
Phys. Rev. B
44
,
943
(
1991
).
60.
S. L.
Dudarev
,
G. A.
Botton
,
S. Y.
Savrasov
,
C. J.
Humphreys
, and
A. P.
Sutton
,
Phys. Rev. B
57
,
1505
(
1998
).
61.
B. J.
Morgan
and
G. W.
Watson
,
Surf. Sci.
601
,
5034
(
2007
).
62.
P. A.
Mulheran
,
M.
Nolan
,
C. S.
Browne
,
M.
Basham
,
E.
Sanville
, and
R. A.
Bennett
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
9763
(
2010
).
63.
M.
Nolan
,
S. C.
Parker
, and
G. W.
Watson
,
Surf. Sci.
595
,
223
(
2005
).
64.
P. R. L.
Keating
,
D. O.
Scanlon
,
B. J.
Morgan
,
N. M.
Galea
, and
G. W.
Watson
,
J. Phys. Chem. C
116
,
2443
(
2012
).
65.
J. J.
Plata
,
A. M.
Márquez
, and
J. F.
Sanz
,
J. Chem. Phys.
136
,
041101
(
2012
).
66.
P. W.
Tasker
,
J. Phys. C
12
,
4977
(
1979
).
67.
A.
Iwaszuk
and
M.
Nolan
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
13
,
4963
(
2011
).
68.
G.
Henkelman
,
A.
Arnaldsson
, and
H.
Jónsson
,
Comput. Mater. Sci.
36
,
354
(
2006
).
69.
D.
Knapp
and
T.
Ziegler
,
J. Phys. Chem. C
112
,
17311
(
2008
).
70.
A.
Beste
,
D. R.
Mullins
,
S. H.
Overbury
, and
R. J.
Harrison
,
Surf. Sci.
602
,
162
(
2008
).
71.
D.
Mei
,
N. A.
Deskins
,
M.
Dupuis
, and
Q.
Ge
,
J. Phys. Chem. C
112
,
4257
(
2008
).
72.
D.
Fernández-Torre
,
K.
Kośmider
,
J.
Carrasco
,
M. V.
Ganduglia-Pirovano
, and
R.
Pérez
,
J. Phys. Chem. C
116
,
13584
(
2012
).
You do not currently have access to this content.