Substituting Salt for Cerium Oxide The water-gas shift reaction converts carbon monoxide and water to hydrogen and carbon dioxide. Catalysts that operate at lower temperatures will be useful in fuel cells. Nanoparticles of platinum adsorbed on reducible oxides, such as ceria, can stabilize catalytically active Ptoxygen species. Zhai et al. (p. 1633 ) now show that, when alkali atoms are added, atomically dispersed Pt can be an active catalyst for the water-gas shift reaction at ∼100°C, even on simple oxides such as alumina and silica.

Periodic, self-consistent DFT-GGA(PW91) calculations are used to study the interaction of hydrogen with different facets of seventeen transition metals—the (100) and (111) facets of face-centered cubic (fcc) metals, the (0001) facet of hexagonal-close packed (hcp) metals, and the (100) and (110) facets of body-centered cubic (bcc) metals. Calculated geometries and binding energies for surface and subsurface hydrogen are reported and are, in general, in good agreement with both previous modeling studies and experimental data. There are significant differences between the binding on the close-packed and more open (100) facets of the same metal. Geometries of subsurface hydrogen on different facets of the same metal are generally similar; however, binding energies of hydrogen in the subsurface of the different facets studied showed significant variation. Formation of surface hydrogen is exothermic with respect to gas-phase H2 on all metals studied with the exception of Ag and Au. For each metal studied, hydrogen in its preferred subsurface state is always less stable than its preferred surface state. The magnitude of the activation energy for hydrogen diffusion from the surface layer into the first subsurface layer is dominated by the difference in the thermodynamic stability of these two states. Diffusion from the first subsurface layer to one layer further into the bulk does not generally have a large thermodynamic barrier but still has a moderate kinetic barrier. Despite the proximity to the metal surface, the activation energy for hydrogen diffusion from the first to the second subsurface layer is generally similar to experimentally-determined activation energies for bulk diffusion found in the literature. There are also some significant differences in the activation energy for hydrogen diffusion into the bulk through different facets of the same metal.

Applying density functional theory (DFT) calculations to the rational design of catalysts for complex reaction networks has been an ongoing challenge, primarily because of the high computational cost of these calculations. Certain correlations can be used to reduce the number and complexity of DFT calculations necessary to describe trends in activity and selectivity across metal and alloy surfaces, thus extending the reach of DFT to more complex systems. In this work, the well-known family of Brønsted−Evans−Polanyi (BEP) correlations, connecting minima with maxima in the potential energy surface of elementary steps, in tandem with a scaling relation, connecting binding energies of complex adsorbates with those of simpler ones (e.g., C, O), is used to develop a potential-energy surface for ethanol decomposition on 10 transition metal surfaces. Using a simple kinetic model, the selectivity and activity on a subset of these surfaces are calculated. Experiments on supported catalysts verify that this simple model is reasonably accurate in describing reactivity trends across metals, suggesting that the combination of BEP and scaling relations may substantially reduce the cost of DFT calculations required for identifying reactivity descriptors of more complex reactions.

We present a first-principles, self-consistent periodic density functional theory (PW91-GGA) study of formic acid (HCOOH) decomposition on model (111) and (100) facets of eight fcc metals (Au, Ag, Cu, Pt, Pd, Ni, Ir, and Rh) and (0001) facets of four hcp (Co, Os, Ru, and Re) metals. The calculated binding energies of key formic acid decomposition intermediates including formate (HCOO), carboxyl (COOH), carbon monoxide (CO), water (H2O), carbon dioxide (CO2), hydroxyl (OH), carbon (C), oxygen (O), and hydrogen (H; H2) are presented. Using these energetics, we develop thermochemical potential energy diagrams for both the carboxyl-mediated and the formate-mediated dehydrogenation mechanisms on each surface. We evaluate the relative stability of COOH, HCOO, and other isomeric intermediates (i.e., CO + OH, CO2 + H, CO + O + H) on these surfaces. These results provide insights into formic acid decomposition selectivity (dehydrogenation versus dehydration), and in conjunction with calculated vibrational frequency modes, the results can assist with the experimental search for the elusive carboxyl (COOH) surface intermediate. Results are compared against experimental reports in the literature.