Nanoparticles can serve as an efficient reaction environment for bimolecular reactions as the reactants concentrate either inside the nanoparticle or on the surface of the nanoparticle. The reaction rate is then controlled by the rate of formation of the reaction pairs. We demonstrate this concept on the example of electron-induced reactions in hydrogen peroxide. We consider two types of nanoparticle environments: solid argon particles, only weakly interacting with the hydrogen peroxide reactant, and ice particles with a much stronger interaction. The formation of hydrogen peroxide dimers is investigated via classical molecular dynamics (MD) simulations on a microsecond timescale. With a modified force field for hydrogen peroxide, we found out a fast formation and stabilization of the hydrogen peroxide dimer for argon nanoparticles, while the reaction pair was formed reversibly at a much slower rate on the water nanoparticles. We have further investigated the electron-induced reactions using non-adiabatic ab initio MD simulations, identifying the possible reaction products upon the ionization or electron attachment. The major reaction path in all cases corresponded to a proton transfer. The computational findings are supported by mass spectrometry experiments, where large ArM and (H2O)M nanoparticles are generated, and several hydrogen peroxide molecules are embedded on these nanoparticles in a pickup process. Subsequently, the nanoparticles are ionized either positively by 70 eV electrons or negatively by electron attachment at electron energies below 5 eV. The recorded mass spectra demonstrate the efficient coagulation of H2O2 on ArM, while it is quite limited on (H2O)M.

1.
P.
Jena
and
A. W.
Castleman
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
103
,
10560
(
2006
).
2.
P. M.
Dinh
,
P. G.
Reinhard
, and
E.
Suraud
,
An Introduction to Cluster Science
(
Wiley
,
2013
).
3.
J. M.
Mestdagh
,
M. A.
Gaveau
,
C.
Gée
,
O.
Sublemontier
, and
J. P.
Visticot
,
Int. Rev. Phys. Chem.
16
,
215
(
1997
).
4.
M.
Fárník
,
J.
Fedor
,
J.
Kočišek
,
J.
Lengyel
,
E.
Pluhařová
,
V.
Poterya
, and
A.
Pysanenko
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
23
,
3195
(
2021
).
5.
U.
Buck
,
J. Phys. Chem. A
106
,
10049
(
2002
).
6.
T.
Fransson
,
Y.
Harada
,
N.
Kosugi
,
N. A.
Besley
,
B.
Winter
,
J. J.
Rehr
,
L. G. M.
Pettersson
, and
A.
Nilsson
,
Chem. Rev.
116
,
7551
(
2016
).
7.
B.
Winter
and
M.
Faubel
,
Chem. Rev.
106
,
1176
(
2006
).
8.
S.
Malerz
,
F.
Trinter
,
U.
Hergenhahn
,
A.
Ghrist
,
H.
Ali
,
C.
Nicolas
,
C.-M.
Saak
,
C.
Richter
,
S.
Hartweg
,
L.
Nahon
,
C.
Lee
,
C.
Goy
,
D. M.
Neumark
,
G.
Meijer
,
I.
Wilkinson
,
B.
Winter
, and
S.
Thürmer
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
23
,
8246
(
2021
).
9.
S.
Barth
,
M.
Ončák
,
V.
Ulrich
,
M.
Mucke
,
T.
Lischke
,
P.
Slavíček
, and
U.
Hergenhahn
,
J. Phys. Chem. A
113
,
13519
(
2009
).
10.
M.
Ončák
,
P.
Slavíček
,
M.
Fárník
, and
U.
Buck
,
J. Phys. Chem. A
115
,
6155
(
2011
).
11.
E. C.
Tyo
and
S.
Vajda
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
577
(
2015
).
12.
J.
Lengyel
,
A.
Pysanenko
,
V.
Poterya
,
P.
Slavíček
,
M.
Fárník
,
J.
Kočišek
, and
J.
Fedor
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
113401
(
2014
).
13.
V.
Poterya
,
J.
Kočišek
,
J.
Lengyel
,
P.
Svrčková
,
A.
Pysanenko
,
D.
Hollas
,
P.
Slavíček
, and
M.
Fárník
,
J. Phys. Chem. A
118
,
4740
(
2014
).
14.
A.
Mozumder
, in
Fundamentals of Radiation Chemistry
(
Academic Press
,
San Diego
,
1999
), p.
145
.
15.
A. J. B.
Robertson
,
Trans. Faraday Soc.
48
,
228
(
1952
).
16.
K.
Osafune
and
K.
Kimura
,
Chem. Phys. Lett.
25
,
47
(
1974
).
17.
D.
Nandi
,
E.
Krishnakumar
,
A.
Rosa
,
W.-F.
Schmidt
, and
E.
Illenberger
,
Chem. Phys. Lett.
373
,
454
(
2003
).
18.
R.
Crespo-Otero
and
M.
Barbatti
,
Chem. Rev.
118
,
7026
(
2018
).
19.
J.
Chalabala
,
F.
Uhlig
, and
P.
Slavíček
,
J. Phys. Chem. A
122
,
3227
(
2018
).
20.
J.
Chalabala
and
P.
Slavíček
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
18
,
20422
(
2016
).
21.
O.
Svoboda
,
D.
Hollas
,
M.
Ončák
, and
P.
Slavíček
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
15
,
11531
(
2013
).
22.
M.
Ranković
,
J.
Chalabala
,
M.
Zawadzki
,
J.
Kočišek
,
P.
Slavíček
, and
J.
Fedor
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
21
,
16451
(
2019
).
23.
H.
Tachikawa
,
J. Phys. Chem. A
106
,
6915
(
2002
).
24.
O.
Vendrell
,
S. D.
Stoychev
, and
L. S.
Cederbaum
,
ChemPhysChem
11
,
1006
(
2010
).
25.
E.
Livshits
,
R. S.
Granot
, and
R.
Baer
,
J. Phys. Chem. A
115
,
5735
(
2011
).
26.
Z. P.
Wang
,
P. M.
Dinh
,
P. G.
Reinhard
, and
E.
Suraud
,
Laser Phys.
24
,
106004
(
2014
).
27.
C.
Zhang
,
J.
Lu
,
T.
Feng
, and
H.
Rottke
,
Phys. Rev. A
99
,
053408
(
2019
).
28.
V.
Sharma
and
M.
Fernández-Serra
,
Phys. Rev. Res.
2
,
043082
(
2020
).
29.
A.
Pysanenko
,
E.
Pluhařová
,
I. S.
Vinklárek
,
J.
Rakovský
,
V.
Poterya
,
J.
Kočišek
, and
M.
Fárník
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
22
,
15312
(
2020
).
30.
A.
Pysanenko
,
I. S.
Vinklárek
,
M.
Fárník
, and
V.
Poterya
,
Int. J. Mass Spectrom.
461
,
116514
(
2021
).
31.
M. J.
Abraham
,
T.
Murtola
,
R.
Schulz
,
S.
Páll
,
J. C.
Smith
,
B.
Hess
, and
E.
Lindahl
,
SoftwareX
1–2
,
19
(
2015
).
32.
H. J. C.
Berendsen
,
D.
van der Spoel
, and
R.
van Drunen
,
Comput. Phys. Commun.
91
,
43
(
1995
).
33.
A. K.
Belyaev
,
W.
Domcke
,
C.
Lasser
, and
G.
Trigila
,
J. Chem. Phys.
142
,
104307
(
2015
).
34.
A. K.
Belyaev
,
C.
Lasser
, and
G.
Trigila
,
J. Chem. Phys.
140
,
224108
(
2014
).
35.
A. K.
Belyaev
and
O. V.
Lebedev
,
Phys. Rev. A
84
,
014701
(
2011
).
36.
J.
Suchan
,
J.
Janoš
, and
P.
Slavíček
,
J. Chem. Theory Comput.
16
,
5809
(
2020
).
37.
P.
Slavíček
and
T. J.
Martínez
,
J. Chem. Phys.
132
,
234102
(
2010
).
38.
E. G.
Hohenstein
,
M. E. F.
Bouduban
,
C.
Song
,
N.
Luehr
,
I. S.
Ufimtsev
, and
T. J.
Martínez
,
J. Chem. Phys.
143
,
014111
(
2015
).
39.
D.
Hollas
,
L.
Šištík
,
E. G.
Hohenstein
,
T. J.
Martínez
, and
P.
Slavíček
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
339
(
2018
).
40.
B. F. E.
Curchod
and
T. J.
Martínez
,
Chem. Rev.
118
,
3305
(
2018
).
41.
L. S.
Dodda
,
I.
Cabeza de Vaca
,
J.
Tirado-Rives
, and
W. L.
Jorgensen
,
Nucleic Acids Res.
45
,
W331
(
2017
).
42.
M.
Fárník
and
J.
Lengyel
,
Mass Spectrom. Rev.
37
,
630
(
2018
).
43.
C. C.
Pradzynski
,
R. M.
Forck
,
T.
Zeuch
,
P.
Slavíček
, and
U.
Buck
,
Science
337
,
1529
(
2012
).
44.
J.
Chalabala
,
O.
Dvořák
, and
P.
Slavíček
,
Chem. Phys.
515
,
221
(
2018
).
45.
D.
Hollas
,
J.
Suchan
,
M.
Ončák
, and
P.
Slavíček
(
2018
). “
PHOTOX/ABIN: Pre-release of version 1.1 (Version v1.1-alpha)
,” Zenodo. http://doi.org/10.5281/zenodo.1228463.
46.
H.-J.
Werner
,
P. J.
Knowles
,
G.
Knizia
,
F. R.
Manby
, and
M.
Schütz
,
Wiley Interdiscip. Rev.: Comput. Mol. Sci.
2
,
242
(
2012
).
47.
I. S.
Ufimtsev
and
T. J.
Martinez
,
J. Chem. Theory Comput.
5
,
2619
(
2009
).
48.
A. V.
Titov
,
I. S.
Ufimtsev
,
N.
Luehr
, and
T. J.
Martínez
,
J. Chem. Theory Comput.
9
,
213
(
2013
).
49.
Y.
Shao
,
Z.
Gan
,
E.
Epifanovsky
,
A. T. B.
Gilbert
,
M.
Wormit
,
J.
Kussmann
,
A. W.
Lange
,
A.
Behn
,
J.
Deng
,
X.
Feng
,
D.
Ghosh
,
M.
Goldey
,
P. R.
Horn
,
L. D.
Jacobson
,
I.
Kaliman
,
R. Z.
Khaliullin
,
T.
Kuś
,
A.
Landau
,
J.
Liu
,
E. I.
Proynov
,
Y. M.
Rhee
,
R. M.
Richard
,
M. A.
Rohrdanz
,
R. P.
Steele
,
E. J.
Sundstrom
,
H. L.
Woodcock
,
P. M.
Zimmerman
,
D.
Zuev
,
B.
Albrecht
,
E.
Alguire
,
B.
Austin
,
G. J. O.
Beran
,
Y. A.
Bernard
,
E.
Berquist
,
K.
Brandhorst
,
K. B.
Bravaya
,
S. T.
Brown
,
D.
Casanova
,
C.-M.
Chang
,
Y.
Chen
,
S. H.
Chien
,
K. D.
Closser
,
D. L.
Crittenden
,
M.
Diedenhofen
,
R. A.
DiStasio
,
H.
Do
,
A. D.
Dutoi
,
R. G.
Edgar
,
S.
Fatehi
,
L.
Fusti-Molnar
,
A.
Ghysels
,
A.
Golubeva-Zadorozhnaya
,
J.
Gomes
,
M. W. D.
Hanson-Heine
,
P. H. P.
Harbach
,
A. W.
Hauser
,
E. G.
Hohenstein
,
Z. C.
Holden
,
T.-C.
Jagau
,
H.
Ji
,
B.
Kaduk
,
K.
Khistyaev
,
J.
Kim
,
J.
Kim
,
R. A.
King
,
P.
Klunzinger
,
D.
Kosenkov
,
T.
Kowalczyk
,
C. M.
Krauter
,
K. U.
Lao
,
A. D.
Laurent
,
K. V.
Lawler
,
S. V.
Levchenko
,
C. Y.
Lin
,
F.
Liu
,
E.
Livshits
,
R. C.
Lochan
,
A.
Luenser
,
P.
Manohar
,
S. F.
Manzer
,
S.-P.
Mao
,
N.
Mardirossian
,
A. V.
Marenich
,
S. A.
Maurer
,
N. J.
Mayhall
,
E.
Neuscamman
,
C. M.
Oana
,
R.
Olivares-Amaya
,
D. P.
O’Neill
,
J. A.
Parkhill
,
T. M.
Perrine
,
R.
Peverati
,
A.
Prociuk
,
D. R.
Rehn
,
E.
Rosta
,
N. J.
Russ
,
S. M.
Sharada
,
S.
Sharma
,
D. W.
Small
,
A.
Sodt
,
T.
Stein
,
D.
Stück
,
Y.-C.
Su
,
A. J. W.
Thom
,
T.
Tsuchimochi
,
V.
Vanovschi
,
L.
Vogt
,
O.
Vydrov
,
T.
Wang
,
M. A.
Watson
,
J.
Wenzel
,
A.
White
,
C. F.
Williams
,
J.
Yang
,
S.
Yeganeh
,
S. R.
Yost
,
Z.-Q.
You
,
I. Y.
Zhang
,
X.
Zhang
,
Y.
Zhao
,
B. R.
Brooks
,
G. K. L.
Chan
,
D. M.
Chipman
,
C. J.
Cramer
,
W. A.
Goddard
,
M. S.
Gordon
,
W. J.
Hehre
,
A.
Klamt
,
H. F.
Schaefer
,
M. W.
Schmidt
,
C. D.
Sherrill
,
D. G.
Truhlar
,
A.
Warshel
,
X.
Xu
,
A.
Aspuru-Guzik
,
R.
Baer
,
A. T.
Bell
,
N. A.
Besley
,
J.-D.
Chai
,
A.
Dreuw
,
B. D.
Dunietz
,
T. R.
Furlani
,
S. R.
Gwaltney
,
C.-P.
Hsu
,
Y.
Jung
,
J.
Kong
,
D. S.
Lambrecht
,
W.
Liang
,
C.
Ochsenfeld
,
V. A.
Rassolov
,
L. V.
Slipchenko
,
J. E.
Subotnik
,
T.
Van Voorhis
,
J. M.
Herbert
,
A. I.
Krylov
,
P. M. W.
Gill
, and
M.
Head-Gordon
,
Mol. Phys.
113
,
184
(
2015
).
50.
M. J.
Frisch
,
G. W.
Trucks
,
H. B.
Schlegel
,
G. E.
Scuseria
,
M. A.
Robb
,
J. R.
Cheeseman
,
G.
Scalmani
,
V.
Barone
,
G. A.
Petersson
,
H.
Nakatsuji
,
X.
Li
,
M.
Caricato
,
A.
Marenich
,
J.
Bloino
,
B. G.
Janesko
,
R.
Gomperts
,
B.
Mennucci
,
H. P.
Hratchian
,
J. V.
Ortiz
et al,
Gaussian, Inc.
,
Wallingford, CT
,
2016
.
51.
S.
Simon
,
M.
Duran
, and
J. J.
Dannenberg
,
J. Chem. Phys.
105
,
11024
(
1996
).
52.
S. F.
Boys
and
F.
Bernardi
,
Mol. Phys.
19
,
553
(
1970
).
53.
E. A.
Orabi
and
A. M.
English
,
J. Chem. Theory Comput.
14
,
2808
(
2018
).
54.
Y.
Wu
,
H. L.
Tepper
, and
G. A.
Voth
,
J. Chem. Phys.
124
,
024503
(
2006
).
55.
M. J.
Robertson
,
J.
Tirado-Rives
, and
W. L.
Jorgensen
,
J. Chem. Theory Comput.
11
,
3499
(
2015
).
56.
M. J.
Robertson
,
Y.
Qian
,
M. C.
Robinson
,
J.
Tirado-Rives
, and
W. L.
Jorgensen
,
J. Chem. Theory Comput.
15
,
2734
(
2019
).
58.
J.
Farges
,
M. F.
de Feraudy
,
B.
Raoult
, and
G.
Torchet
,
Surf. Sci.
106
,
95
(
1981
).
59.
J.
Farges
,
M. F.
de Feraudy
,
B.
Raoult
, and
G.
Torchet
,
J. Chem. Phys.
84
,
3491
(
1986
).
60.
H.-P.
Cheng
and
R. S.
Berry
,
Phys. Rev. A
45
,
7969
(
1992
).
61.
V.
Buch
,
B.
Sigurd
,
J.
Paul Devlin
,
U.
Buck
, and
J. K.
Kazimirski
,
Int. Rev. Phys. Chem.
23
,
375
(
2004
).
62.
J.
Brudermann
,
P.
Lohbrandt
,
U.
Buck
, and
V.
Buch
,
J. Chem. Phys.
112
,
11038
(
2000
).
63.
J.
Lengyel
,
A.
Pysanenko
,
V.
Poterya
,
J.
Kočišek
, and
M.
Fárník
,
Chem. Phys. Lett.
612
,
256
(
2014
).
64.
A.
Golan
and
M.
Ahmed
,
J. Phys. Chem. Lett.
3
,
458
(
2012
).
65.
S. G.
Lias
, in
NIST Chemistry WebBook, NIST Standard Reference Database Number 69
, edited by
W. G.
Mallard
and
P. J.
Linstrom
(
National Institute of Standards and Technology
,
Gaithersburg, MD
,
2021
).
66.
F. S.
Ashmore
and
A. R.
Burgess
,
J. Chem. Soc., Faraday Trans. 2
73
,
1247
(
1977
).
67.
C. F.
Perry
,
P.
Zhang
,
F. B.
Nunes
,
I.
Jordan
,
A.
von Conta
, and
H. J.
Wörner
,
J. Phys. Chem. Lett.
11
,
1789
(
2020
).
68.
M.
Knapp
,
O.
Echt
,
D.
Kreisle
, and
E.
Recknagel
,
J. Phys. Chem.
91
,
2601
(
1987
).
69.
S.
Wei
,
W. B.
Tzeng
, and
A. W.
Castleman
, Jr.
,
J. Chem. Phys.
93
,
2506
(
1990
).
70.
S.
Wei
and
A. W.
Castleman
,
Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes
131
,
233
(
1994
).
71.
L.
Belau
,
K. R.
Wilson
,
S. R.
Leone
, and
M.
Ahmed
,
J. Phys. Chem. A
111
,
10075
(
2007
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.