Strain-engineering of bimetallic nanomaterials is an important design strategy for developing new catalysts. Herein, we introduce an approach for including strain effects into a recently introduced, density functional theory (DFT)-based alloy stability model. The model predicts adsorption site stabilities in nanoparticles and connects these site stabilities with catalytic reactivity and selectivity. Strain-based dependencies will increase the model’s accuracy for nanoparticles affected by finite-size effects. In addition to the stability of small nanoparticles, strain also influences the heat of adsorption of epitaxially grown metal-on-metal adlayers. In this respect, we successfully benchmark the strain-including alloy stability model with previous experimentally determined trends in the heats of adsorption of Au and Cu adlayers on Pt (111). For these systems, our model predicts stronger bimetallic interactions in the first monolayer than monometallic interactions in the second monolayer. We explicitly quantify the interplay between destabilizing strain effects and the energy gained by forming new metal–metal bonds. While tensile strain in the first Cu monolayer significantly destabilizes the adsorption strength, compressive strain in the first Au monolayer has a minimal impact on the heat of adsorption. Hence, this study introduces and, by comparison with previous experiments, validates an efficient DFT-based approach for strain-engineering the stability, and, in turn, the catalytic performance, of active sites in bimetallic alloys with atomic level resolution.

1.
J. K.
Nørskov
,
T.
Bligaard
,
J.
Rossmeisl
, and
C. H.
Christensen
,
Nat. Chem.
1
,
37
(
2009
).
2.
C. A.
Wolcott
,
A. J.
Medford
,
F.
Studt
, and
C. T.
Campbell
,
J. Catal.
330
,
197
(
2015
).
3.
A. H.
Motagamwala
,
M. R.
Ball
, and
J. A.
Dumesic
,
Annu. Rev. Chem. Biomol. Eng.
9
,
413
(
2018
).
4.
S.
Matera
,
W. F.
Schneider
,
A.
Heyden
, and
A.
Savara
,
ACS Catal.
9
,
6624
(
2019
).
5.
F.
Abild-Pedersen
,
J.
Greeley
,
F.
Studt
,
J.
Rossmeisl
,
T. R.
Munter
,
P. G.
Moses
,
E.
Skúlason
,
T.
Bligaard
, and
J. K.
Nørskov
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
016105
(
2007
).
6.
F.
Studt
,
I.
Sharafutdinov
,
F.
Abild-Pedersen
,
C. F.
Elkjær
,
J. S.
Hummelshøj
,
S.
Dahl
,
I.
Chorkendorff
, and
J. K.
Nørskov
,
Nat. Chem.
6
,
320
(
2014
).
7.
J.
Schumann
,
A. J.
Medford
,
J. S.
Yoo
,
Z.-J.
Zhao
,
P.
Bothra
,
A.
Cao
,
F.
Studt
,
F.
Abild-Pedersen
, and
J. K.
Nørskov
,
ACS Catal.
8
,
3447
(
2018
).
8.
R. B.
Rankin
and
J.
Greeley
,
ACS Catal.
2
,
2664
(
2012
).
9.
Y.
Song
and
L. C.
Grabow
,
Ind. Eng. Chem. Res.
57
,
12715
(
2018
).
10.
J. L.
Snider
,
V.
Streibel
,
M. A.
Hubert
,
T. S.
Choksi
,
E.
Valle
,
D. C.
Upham
,
J.
Schumann
,
M. S.
Duyar
,
A.
Gallo
,
F.
Abild-Pedersen
, and
T. F.
Jaramillo
,
ACS Catal.
9
,
3399
(
2019
).
11.
C.
Wang
,
D.
Li
,
M.
Chi
,
J.
Pearson
,
R. B.
Rankin
,
J.
Greeley
,
Z.
Duan
,
G.
Wang
,
D.
van der Vliet
,
K. L.
More
,
N. M.
Markovic
, and
V. R.
Stamenkovic
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
1668
(
2012
).
12.
F.
Calle-Vallejo
,
M. D.
Pohl
, and
A. S.
Bandarenka
,
ACS Catal.
7
,
4355
(
2017
).
13.
J.-X.
Liu
,
D.
Richards
,
N.
Singh
, and
B. R.
Goldsmith
,
ACS Catal.
9
,
7052
(
2019
).
14.
M. P.
Andersson
,
T.
Bligaard
,
A.
Kustov
,
K. E.
Larsen
,
J.
Greeley
,
T.
Johannessen
,
C. H.
Christensen
, and
J. K.
Nørskov
,
J. Catal.
239
,
501
(
2006
).
15.
F.
Calle-Vallejo
and
A. S.
Bandarenka
,
ChemSusChem
11
,
1824
(
2018
).
16.
F.
Calle-Vallejo
,
J. I.
Martínez
,
J. M.
García-Lastra
,
P.
Sautet
, and
D.
Loffreda
,
Angew. Chem., Int. Ed.
53
,
8316
(
2014
).
17.
M.
Jørgensen
and
H.
Grönbeck
,
ACS Catal.
7
,
5054
(
2017
).
18.
A. S.
Bazhenov
,
L.
Lefferts
, and
K.
Honkala
,
J. Phys. Chem. C
121
,
4324
(
2017
).
19.
X.
Ma
and
H.
Xin
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
036101
(
2017
).
20.
F.
Calle-Vallejo
,
J.
Tymoczko
,
V.
Colic
,
Q. H.
Vu
,
M. D.
Pohl
,
K.
Morgenstern
,
D.
Loffreda
,
P.
Sautet
,
W.
Schuhmann
, and
A. S.
Bandarenka
,
Science
350
,
185
(
2015
).
21.
H.
Xin
,
A.
Holewinski
, and
S.
Linic
,
ACS Catal.
2
,
12
(
2012
).
22.
T. A. A.
Batchelor
,
J. K.
Pedersen
,
S. H.
Winther
,
I. E.
Castelli
,
K. W.
Jacobsen
, and
J.
Rossmeisl
,
Joule
3
,
834
(
2019
).
23.
S.
Back
,
J.
Yoon
,
N.
Tian
,
W.
Zhong
,
K.
Tran
, and
Z. W.
Ulissi
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
4401
(
2019
).
24.
J. R.
Boes
,
G.
Gumuslu
,
J. B.
Miller
,
A. J.
Gellman
, and
J. R.
Kitchin
,
ACS Catal.
5
,
1020
(
2015
).
25.
Z.
Li
,
S.
Wang
,
W. S.
Chin
,
L. E.
Achenie
, and
H.
Xin
,
J. Mater. Chem. A
5
,
24131
(
2017
).
26.
K.
Saravanan
,
J. R.
Kitchin
,
O.
Anatole Von Lilienfeld
, and
J. A.
Keith
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
5002
(
2017
).
27.
W.
Chen
,
W. F.
Schneider
, and
C.
Wolverton
,
J. Phys. Chem. C
118
,
8342
(
2014
).
28.
L. T.
Roling
,
L.
Li
, and
F.
Abild-Pedersen
,
J. Phys. Chem. C
121
,
23002
(
2017
).
29.
L. T.
Roling
and
F.
Abild-Pedersen
,
ChemCatChem
10
,
1643
(
2018
).
30.
L. T.
Roling
,
T. S.
Choksi
, and
F.
Abild-Pedersen
,
Nanoscale
11
,
4438
(
2019
).
31.
T. S.
Choksi
,
L. T.
Roling
,
V.
Streibel
, and
F.
Abild-Pedersen
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
1852
(
2019
).
32.
M.
Núñez
,
J. L.
Lansford
, and
D. G.
Vlachos
,
Nat. Chem.
11
,
449
(
2019
).
33.
J.
Dean
,
M. G.
Taylor
, and
G.
Mpourmpakis
,
Sci. Adv.
5
,
eaax5101
(
2019
).
34.
C. T.
Campbell
and
Z.
Mao
,
ACS Catal.
7
,
8460
(
2017
).
35.
S. L.
Hemmingson
and
C. T.
Campbell
,
ACS Nano
11
,
1196
(
2017
).
36.
Z.
Yan
,
M. G.
Taylor
,
A.
Mascareno
, and
G.
Mpourmpakis
,
Nano Lett.
18
,
2696
(
2018
).
37.
W.
Chen
,
D.
Schmidt
,
W. F.
Schneider
, and
C.
Wolverton
,
J. Phys. Chem. C
115
,
17915
(
2011
).
38.
R.
Jinnouchi
and
R.
Asahi
,
J. Phys. Chem. Lett.
8
,
4279
(
2017
).
39.
R.
Jinnouchi
,
H.
Hirata
, and
R.
Asahi
,
J. Phys. Chem. C
121
,
26397
(
2017
).
40.
N.
Artrith
and
A. M.
Kolpak
,
Nano Lett.
14
,
2670
(
2014
).
41.
T.-D.
Liu
,
L.-Y.
Xu
,
G.-F.
Shao
,
N.-N.
Tu
,
J.-P.
Tao
, and
Y.-H.
Wen
,
J. Alloys Compd.
663
,
466
(
2016
).
42.
A.
Bruma
,
R.
Ismail
,
L. O.
Paz-Borbon
,
H.
Arslan
,
G.
Barcaro
,
A.
Fortunelli
,
Z. Y.
Li
, and
R. L.
Johnston
,
Nanoscale
5
,
646
(
2013
).
43.
C.
Günther
,
S.
Günther
,
E.
Kopatzki
,
R. Q.
Hwang
,
J.
Schröder
,
J.
Vrijmoeth
, and
R. J.
Behm
,
Ber. Bunsengesellschaft Phys. Chem.
97
,
522
(
1993
).
44.
S.
Alayoglu
,
A. U.
Nilekar
,
M.
Mavrikakis
, and
B.
Eichhorn
,
Nat. Mater.
7
,
333
(
2008
).
45.
J.
Suntivich
,
Z.
Xu
,
C. E.
Carlton
,
J.
Kim
,
B.
Han
,
S. W.
Lee
,
N.
Bonnet
,
N.
Marzari
,
L. F.
Allard
,
H. A.
Gasteiger
,
K.
Hamad-Schifferli
, and
Y.
Shao-Horn
,
J. Am. Chem. Soc.
135
,
7985
(
2013
).
46.
L.
Wang
,
H.
Wang
,
Y.
Nemoto
, and
Y.
Yamauchi
,
Chem. Mater.
22
,
2835
(
2010
).
47.
T.
Nilsson Pingel
,
M.
Jørgensen
,
A. B.
Yankovich
,
H.
Grönbeck
, and
E.
Olsson
,
Nat. Commun.
9
,
2722
(
2018
).
48.
M.
Jørgensen
and
H.
Grönbeck
,
Top. Catal.
62
,
660
(
2019
).
49.
L.
Wang
,
Z.
Zeng
,
W.
Gao
,
T.
Maxson
,
D.
Raciti
,
M.
Giroux
,
X.
Pan
,
C.
Wang
, and
J.
Greeley
,
Science
363
,
870
(
2019
).
50.
C. T.
Campbell
,
Annu. Rev. Phys. Chem.
41
,
775
(
1990
).
51.
J. T.
Stuckless
,
N. A.
Frei
, and
C. T.
Campbell
,
Rev. Sci. Instrum.
69
,
2427
(
1998
).
52.
C. E.
Borroni-Bird
and
D. A.
King
,
Rev. Sci. Instrum.
62
,
2177
(
1991
).
53.
T. E.
James
,
S. L.
Hemmingson
,
J. R. V.
Sellers
, and
C. T.
Campbell
,
Surf. Sci.
657
,
58
(
2017
).
54.
G. M.
Feeley
,
S. L.
Hemmingson
, and
C. T.
Campbell
,
J. Phys. Chem. C
123
,
5557
(
2019
).
56.
F.
Abild-Pedersen
,
I.
Chorkendorff
,
C. H.
Christensen
,
J. K.
Nørskov
,
T.
Bligaard
, and
B.
Hvolbæk
,
Chem. Soc. Rev.
37
,
2163
(
2008
).
57.
E.
Prodan
and
W.
Kohn
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
,
11635
(
2005
).
58.
C. T.
Campbell
,
S. C.
Parker
, and
D. E.
Starr
,
Science
298
,
811
(
2002
).
59.
T. S.
Choksi
,
V.
Streibel
, and
F.
Abild-Pedersen
,
J. Chem. Phys.
152
,
094702
(
2020
).
60.
P.
Giannozzi
,
S.
Baroni
,
N.
Bonini
,
M.
Calandra
,
R.
Car
,
C.
Cavazzoni
,
D.
Ceresoli
,
G. L.
Chiarotti
,
M.
Cococcioni
,
I.
Dabo
,
A. D.
Corso
,
S.
de Gironcoli
,
S.
Fabris
,
G.
Fratesi
,
R.
Gebauer
,
U.
Gerstmann
,
C.
Gougoussis
,
A.
Kokalj
,
M.
Lazzeri
,
L.
Martin-Samos
,
N.
Marzari
,
F.
Mauri
,
R.
Mazzarello
,
S.
Paolini
,
A.
Pasquarello
,
L.
Paulatto
,
C.
Sbraccia
,
S.
Scandolo
,
G.
Sclauzero
,
A. P.
Seitsonen
,
A.
Smogunov
,
P.
Umari
, and
R. M.
Wentzcovitch
,
J. Phys. Condens. Matter
21
,
395502
(
2009
).
61.
A.
Hjorth Larsen
,
J.
Jørgen Mortensen
,
J.
Blomqvist
,
I. E.
Castelli
,
R.
Christensen
,
M.
Dułak
,
J.
Friis
,
M. N.
Groves
,
B.
Hammer
,
C.
Hargus
,
E. D.
Hermes
,
P. C.
Jennings
,
P.
Bjerre Jensen
,
J.
Kermode
,
J. R.
Kitchin
,
E.
Leonhard Kolsbjerg
,
J.
Kubal
,
K.
Kaasbjerg
,
S.
Lysgaard
,
J.
Bergmann Maronsson
,
T.
Maxson
,
T.
Olsen
,
L.
Pastewka
,
A.
Peterson
,
C.
Rostgaard
,
J.
Schiøtz
,
O.
Schütt
,
M.
Strange
,
K. S.
Thygesen
,
T.
Vegge
,
L.
Vilhelmsen
,
M.
Walter
,
Z.
Zeng
, and
K. W.
Jacobsen
,
J. Phys. Condens. Matter
29
,
273002
(
2017
).
62.
B.
Hammer
,
L. B.
Hansen
, and
J. K.
Nørskov
,
Phys. Rev. B
59
,
7413
(
1999
).
63.
D.
Vanderbilt
,
Phys. Rev. B
41
,
7892
(
1990
).
64.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
1396
(
1997
).
65.
J.
Wellendorff
,
K. T.
Lundgaard
,
A.
Møgelhøj
,
V.
Petzold
,
D. D.
Landis
,
J. K.
Nørskov
,
T.
Bligaard
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
85
,
235149
(
2012
).
66.
J. P.
Perdew
,
A.
Ruzsinszky
,
G. I.
Csonka
,
O. A.
Vydrov
,
G. E.
Scuseria
,
L. A.
Constantin
,
X.
Zhou
, and
K.
Burke
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
136406
(
2008
).
67.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
68.
L.
Bengtsson
,
Phys. Rev. B
59
,
12301
(
1999
).
69.
CRC Handbook of Chemistry and Physics
, edited by
W. M.
Haynes
(
CRC Press
,
Boca Raton
,
2016
).
70.
J. A.
Garrido Torres
,
P. C.
Jennings
,
M. H.
Hansen
,
J. R.
Boes
, and
T.
Bligaard
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
156001
(
2019
).
71.
G.
Henkelman
,
B. P.
Uberuaga
, and
H.
Jónsson
,
J. Chem. Phys.
113
,
9901
(
2000
).
72.
S.
Smidstrup
,
A.
Pedersen
,
K.
Stokbro
, and
H.
Jónsson
,
J. Chem. Phys.
140
,
214106
(
2014
).
73.
J.
Kleis
,
J.
Greeley
,
N. A.
Romero
,
V. A.
Morozov
,
H.
Falsig
,
A. H.
Larsen
,
J.
Lu
,
J. J.
Mortensen
,
M.
Dułak
,
K. S.
Thygesen
,
J. K.
Nørskov
, and
K. W.
Jacobsen
,
Catal. Letters
141
,
1067
(
2011
).
74.
L.
Li
,
A. H.
Larsen
,
N. A.
Romero
,
V. A.
Morozov
,
C.
Glinsvad
,
F.
Abild-Pedersen
,
J.
Greeley
,
K. W.
Jacobsen
, and
J. K.
Nørskov
,
J. Phys. Chem. Lett.
4
,
222
(
2013
).
75.
L.
Li
,
F.
Abild-Pedersen
,
J.
Greeley
, and
J. K.
Nørskov
,
J. Phys. Chem. Lett.
6
,
3797
(
2015
).
76.
S. C.
Parker
and
C. T.
Campbell
,
Phys. Rev. B
75
,
035430
(
2007
).
77.
A.
Miszczuk
,
I.
Morawski
, and
M.
Nowicki
,
Appl. Surf. Sci.
284
,
386
(
2013
).
78.
R. C.
Yeates
and
G. A.
Somorjai
,
Surf. Sci.
134
,
729
(
1983
).
79.
J. W. A.
Sachtler
and
G. A.
Somorjai
,
J. Catal.
81
,
77
(
1983
).
80.
K.
Krupski
,
M.
Moors
,
P.
Jóźwik
,
T.
Kobiela
, and
A.
Krupski
,
Materials
8
,
2935
(
2015
).
81.
B.
Holst
,
M.
Nohlen
,
K.
Wandelt
, and
W.
Allison
,
Surf. Sci.
377-379
,
891
(
1997
).
82.
J.
Wellendorff
,
T. L.
Silbaugh
,
D.
Garcia-Pintos
,
J. K.
Nørskov
,
T.
Bligaard
,
F.
Studt
, and
C. T.
Campbell
,
Surf. Sci.
640
,
36
(
2015
).
83.
D. E.
Starr
,
J. T.
Ranney
,
J. H.
Larsen
,
J. E.
Musgrove
, and
C. T.
Campbell
,
Phys. Rev. Lett.
87
,
106102
(
2001
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.