Dissociation of molecular hydrogen (H2) is extensively studied to understand the mechanism of hydrogenation reactions. In this study, H2 dissociation by Au1-doped closed-shell titanium oxide cluster anions AuTi3O7− and AuTi3O8− has been identified by mass spectrometry and quantum chemistry calculations. The clusters were generated by laser ablation and mass-selected to react with H2 in an ion trap reactor. In the reaction of AuTi3O8− with H2, the ion pair Au+−O22− rather than Au+−O2− is the active site to promote H2 dissociation. This finding is in contrast with the previous result that the lattice oxygen is usually the reactive oxygen species in H2 dissociation. The higher reactivity of the peroxide species is further supported by frontier molecular orbital analysis. This study provides new insights into gold catalysis involving H2 activation and dissociation.
References
[1]
M.
Boronat
and A.
Corma
, Langmuir
26
, 16607
(2010
).[2]
Z. P.
Liu
, C. M.
Wang
, and K. N.
Fan
, Angew. Chem. Int. Ed.
45
, 6865
(2006
).[3]
X.
Zhang
, H.
Shi
, and B. Q.
Xu
, Angew. Chem. Int. Ed.
44
, 7132
(2005
).[4]
C.
Mohr
, H.
Hofmeister
, J.
Radnik
, and P.
Claus
, J. Am. Chem. Soc.
125
, 1905
(2003
).[5]
P.
Landon
, P. J.
Collier
, A. J.
Papworth
, C. J.
Kiely
, and G. J.
Hutchings
, Chem. Commun.
2058
(2002
).[6]
G. C.
Bond
and P. B.
Wells
, Adv. Catal.
15
, 91
(1964
).[7]
F.
Meemken
and A.
Baiker
, Chem. Rev.
117
, 11522
(2017
).[8]
I. X.
Green
, W.
Tang
, M.
Neurock
, and J. T.
Yates
Jr., Acc. Chem. Res.
47
, 805
(2014
).[9]
K.
Sun
, M.
Kohyama
, S.
Tanaka
, and S.
Takeda
, J. Phys. Chem. C
118
, 1611
(2014
).[10]
D.
Widmann
, E.
Hocking
, and R. J.
Behm
, J. Catal.
317
, 272
(2014
).[11]
I. X.
Green
, W.
Tang
, M.
Neurock
, and J. T.
Yates
Jr., Angew. Chem. Int. Ed.
50
, 10186
(2011
).[12]
T.
Fujitani
, I.
Nakamura
, T.
Akita
, M.
Okumura
, and M.
Haruta
, Angew. Chem. Int. Ed.
48
, 9515
(2009
).[13]
X. Y.
Liu
, A. Q.
Wang
, T.
Zhang
, and C. Y.
Mou
, Nano Today
8
, 403
(2013
).[14]
K. R.
Asmis
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 9270
(2012
).[15]
S. M.
Lang
and T. M.
Bernhardt
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 9255
(2012
).[16]
P. J.
Roach
, W. H.
Woodward
, A. W.
Castleman
Jr., A. C.
Reber
, and S. N.
Khanna
, Science
323
, 492
(2009
).[17]
C.
Chi
, H.
Qu
, L.
Meng
, F.
Kong
, M.
Luo
, and M.
Zhou
, Angew. Chem. Int. Ed.
56
, 14096
(2017
).[18]
R.
Burgert
, H.
Schnockel
, A.
Grubisic
, X.
Li
, S. T.
Stokes
, K. H.
Bowen
, G. F.
Gantefor
, B.
Kiran
, and P.
Jena
, Science
319
, 438
(2008
).[19]
H.
Schwarz
, S.
Shaik
, and J.
Li
, J. Am. Chem. Soc.
139
, 17201
(2017
).[20]
M.
Krstic
, Q.
Jin
, G. N.
Khairallah
, R. A. J.
O’Hair
, and V.
Bonacic-Koutecky
, Chemcatchem
10
, 1173
(2018
).[21]
J. H.
Meng
and S. G.
He
, J. Phys. Chem. Lett.
5
, 3890
(2014
).[22]
L. X.
Jiang
, X. N.
Li
, H. F.
Li
, Z. X.
Zhou
, and S. G.
He
, Chem. Asian J.
11
, 2730
(2016
).[23]
X. H.
Zhou
, Z. Y.
Li
, T. M.
Ma
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. C
120
, 10452
(2016
).[24]
Y.
Zhang
, Z. Y.
Li
, Y. X.
Zhao
, H. F.
Li
, X. L.
Ding
, H. Y.
Zhang
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. A
121
, 4069
(2017
).[25]
X. P.
Zou
, Z. Y.
Li
, X. N.
Li
, L. N.
Wang
, H. F.
Li
, T. M.
Ma
, and S. G.
He
, Top. Catal.
61
, 28
(2018
).[26]
X. N.
Li
, Z. Y.
Li
, H. F.
Li
, and S. G.
He
, Chem. Eur. J.
22
, 9024
(2016
).[27]
Y. X.
Zhao
, X. N.
Li
, Z.
Yuan
, Q. Y.
Liu
, Q.
Shi
, and S. G.
He
, Chem. Sci.
7
, 4730
(2016
).[28]
Z. Y.
Li
, H. F.
Li
, Y. X.
Zhao
, and S. G.
He
, J. Am. Chem. Soc.
138
, 9437
(2016
).[29]
L. N.
Wang
, Z. Y.
Li
, Q. Y.
Liu
, J. H.
Meng
, S. G.
He
, and T. M.
Ma
, Angew. Chem. Int. Ed.
54
, 11720
(2015
).[30]
X. N.
Li
, Z.
Yuan
, and S. G.
He
, J. Am. Chem. Soc.
136
, 3617
(2014
).[31]
H.
Himeno
, K.
Miyajima
, T.
Yasuike
, and F.
Mafuné
, J. Phys. Chem. A
115
, 11479
(2011
).[32]
Z.
Yuan
, X. N.
Li
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. Lett.
5
, 1585
(2014
).[33]
S. G.
Ard
, J. J.
Melko
, O.
Martinez
Jr., V. G.
Ushakov
, A.
Li
, R. S.
Johnson
, N. S.
Shuman
, H.
Guo
, J.
Troe
, and A. A.
Viggiano
, J. Phys. Chem. A
118
, 6789
(2014
).[34]
M.
Zhou
, C.
Wang
, J.
Zhuang
, Y.
Zhao
, and X.
Zheng
, J. Phys. Chem. A
115
, 39
(2011
).[35]
M.
Zhou
, C.
Wang
, Z. H.
Li
, J.
Zhuang
, Y.
Zhao
, X.
Zheng
, and K.
Fan
, Angew. Chem. Int. Ed.
49
, 7757
(2010
).[36]
M. F.
Ryan
, A.
Fiedler
, D.
Schröder
, and H.
Schwarz
, J. Am. Chem. Soc.
117
, 2033
(1995
).[37]
D. E.
Clemmer
, N.
Aristov
, and P. B.
Armentrout
, J. Phys. Chem.
97
, 544
(1993
).[38]
K. K.
Irikura
and J. L.
Beauchamp
, J. Am. Chem. Soc.
111
, 75
(1989
).[39]
Z.
Yuan
, Y. X.
Zhao
, X. N.
Li
, and S. G.
He
, Int. J. Mass Spectrom.
354-355
, 105
(2013
).[40]
Y. X.
Zhao
, Q. Y.
Liu
, M. Q.
Zhang
, and S. G.
He
, Dalton Trans.
45
, 11471
(2016
).[41]
X. N.
Wu
, B.
Xu
, J. H.
Meng
, and S. G.
He
, Int. J. Mass Spectrom.
310
, 57
(2012
).[42]
Z.
Yuan
, Z. Y.
Li
, Z. X.
Zhou
, Q. Y.
Liu
, Y. X.
Zhao
, and S. G.
He
, J. Phys. Chem. C
118
, 14967
(2014
).[43]
X. P.
Zou
, L. N.
Wang
, X. N.
Li
, Q. Y.
Liu
, Y. X.
Zhao
, T. M.
Ma
, and S. G.
He
, Angew. Chem. Int. Ed.
57
, 10989
(2018
).[44]
G.
Kummerlöwe
and M. K.
Beyer
, Int. J. Mass Spectrom.
244
, 84
(2005
).[45]
M. J.
Frisch
, G. W.
Trucks
, H. B.
Schlegel
, G. E.
Scuseria
, M. A.
Robb
, J. R.
Cheeseman
, G.
Scalmani
, V.
Barone
, B.
Mennucci
, G. A.
Petersson
, H.
Nakatsuji
, M.
Caricato
, X.
Li
, H. P.
Hratchian
, A. F.
Izmaylov
, J.
Bloino
, G.
Zheng
, J. L.
Sonnenberg
, M.
Hada
, M.
Ehara
, K.
Toyota
, R.
Fukuda
, J.
Hasegawa
, M.
Ishida
, T.
Nakajima
, Y.
Honda
, O.
Kitao
, H.
Nakai
, T.
Vreven
, J. A. M. Jr., J. E.
Peralta
, F.
Ogliaro
, M.
Bearpark
, J. J.
Heyd
, E.
Brothers
, K. N.
Kudin
, V. N.
Staroverov
, R.
Kobayashi
, J.
Normand
, K.
Raghavachari
, A.
Rendell
, J. C.
Burant
, S. S.
Iyengar
, J.
Tomasi
, M.
Cossi
, N.
Rega
, J. M.
Millam
, M.
Klene
, J. E.
Knox
, J. B.
Cross
, V.
Bakken
, C.
Adamo
, J.
Jaramillo
, R.
Gomperts
, R. E.
Stratmann
, O.
Yazyev
, A. J.
Austin
, R.
Cammi
, C.
Pomelli
, J. W.
Ochterski
, R. L.
Martin
, K.
Morokuma
, V. G.
Zakrzewski
, G. A.
Voth
, P.
Salvador
, J. J.
Dannenberg
, S.
Dapprich
, A. D.
Daniels
, O.
Farkas
, J. B.
Foresman
, J. V.
Ortiz
, J.
Cioslowski
, D. J.
Fox
Gaussian 09, Revision A.1
, Wallingford, CT
: Gaussian, Inc
., (2009
).[46]
A.
Schafer
, C.
Huber
, and R.
Ahlrichs
, J. Chem. Phys.
100
, 5829
(1994
).[47]
D.
Andrae
, U.
Häußermann
, M.
Dolg
, H.
Stoll
, and H.
Preuß
, Theor. Chim. Acta
77
, 123
(1990
).[48]
H. B.
Schlegel
, J. Comput. Chem.
3
, 214
(1982
).[49]
C.
Gonzalez
and H. B.
Schlegel
, J. Chem. Phys.
90
, 2154
(1989
).[50]
C.
Gonzalez
and H. B.
Schlegel
, J. Phys. Chem.
94
, 5523
(1990
).[51]
R.
Kretschmer
, M.
Schlangen
, and H.
Schwarz
, Angew. Chem. Int. Ed.
52
, 6097
(2013
).[52]
G.
Gioumousis
and D. P.
Stevenson
, J. Chem. Phys.
29
, 294
(1958
).[53]
J. I. F.
Steinfeld
, J. S.
Hase
, W. L., 2nd ed., New Jersey
: Prentice-Hall
, (1999
).[54]
G.
Lu
, P.
Zhang
, D. Q.
Sun
, L.
Wang
, K. B.
Zhou
, Z. X.
Wang
, and G. C.
Guo
, Chem. Sci.
5
, 1082
(2014
).[55]
B.
Yang
, X. M.
Cao
, X. Q.
Gong
, and P.
Hu
, Phys. Chem. Chem. Phys.
14
, 3741
(2012
).[56]
A.
Corma
, M.
Boronat
, S.
Gonzalez
, and F.
Illas
, Chem. Commun.
3371
(2007
).[57]
B.
Yoon
, H.
Häkkinen
, U.
Landman
, A. S.
Worz
, J. M.
Antonietti
, S.
Abbet
, K.
Judai
, and U.
Heiz
, Science
307
, 403
(2005
).[58]
N. K.
Jena
, K. R. S.
Chandrakumar
, and S. K.
Ghosh
, J. Phys. Chem. C
113
, 17885
(2009
).
This content is only available via PDF.
© 2018 Chinese Physical Society.
2018
Chinese Physical Society
You do not currently have access to this content.