Surface Faceting and Reconstruction of Ceria Nanoparticles

Abstract

The surface atomic arrangement of metal oxides determines their physical and chemical properties, and the ability to control and optimize structural parameters is of crucial importance for many applications, in particular in heterogeneous catalysis and photocatalysis. Whereas the structures of macroscopic single crystals can be determined with established methods, for nanoparticles (NPs), this is a challenging task. Herein, we describe the use of CO as a probe molecule to determine the structure of the surfaces exposed by rod-shaped ceria NPs. After calibrating the CO stretching frequencies using results obtained for different ceria single-crystal surfaces, we found that the rod-shaped NPs actually restructure and expose {111} nanofacets. This finding has important consequences for understanding the controversial surface chemistry of these catalytically highly active ceria NPs and paves the way for the predictive, rational design of catalytic materials at the nanoscale.

Au–Pd NPs immobilised on nanostructured ceria and titania: impact of support morphology on the catalytic activity for selective oxidation

“…38 The presence of defects and imperfections in the lattices of ceria nanorods is a consequence of the different plane exposures, 37 and play a vital role in the stabilization of metal NPs, which grow preferentially on surface defects sites where the contact area with the support is maximised. 39 Hence, the presence of a high number of oxygen vacancies and surface defects in ceria supports, and in Ce-NRs in particular, likely have stabilised the Au-Pd NPs and contributed to high and uniform metal dispersion observed in the TEM and STEM images.…”

Intrinsic Activity of MnOx-CeO2 Catalysts in Ethanol Oxidation

“…Trovarelli and Llorca have stressed the importance of size, shape, and degree of exposure of specific facets of ceria-based particles on their catalytic performance [30]. The distribution of specific nanofacets of ceria depends on its size and shape and leads to different reactivity in CO adsorption, for example [31]. Li et al [14] have found that MnO x -CeO 2 nanocubes exposing the {100} plane are twice as active in ethanol oxidation as MnO x -CeO 2 nanorods primarily exposing the {111} plane.…”

O2‐Aktivierung an Cerdioxid‐Katalysatoren – Zur Bedeutung der kristallographischen Orientierung des Substrats

“…[6] Cerdioxid ist im Hinblick auf Redoxreaktionen eines der katalytisch aktivsten Materialien und hat infolgedessen enorme Aufmerksamkeit von Theorie und Experiment auf sich gezogen. [12] Verschiedentlich hat sich gezeigt, dass die eigentliche Oberflächenstruktur der Nanopartikel aufgrund einer Mikrofacettierung wesentlich von der auf Basis der z. [8] CeO 2 hat daher eine hohe katalytische Aktivitätf ürd ie partielle Oxidation von Methan, die Oxidation von CO oder anderer flüchtiger organischer Verbindungen sowie die katalytische Nassoxidation organischer Substanzen.…”

“…[12] Bisher gibt es keine Raman-spektroskopischen Untersuchungen an genau definierten Oberflächen makroskopischer Oxid-Einkristalle,d ie eine direkte Zuordnung der Schwingungsfrequenzenz uA dsorptionszentren erlauben. [12] Bisher gibt es keine Raman-spektroskopischen Untersuchungen an genau definierten Oberflächen makroskopischer Oxid-Einkristalle,d ie eine direkte Zuordnung der Schwingungsfrequenzenz uA dsorptionszentren erlauben.…”

“…[3,12,17] Relevant fürd ie Klärung der Ursache fürd as unterschiedliche Verhalten der dichtgepackten (111)-Oberflächen ist die Beobachtung,d ass an allen drei Oberflächen -C eO 2 -(100), (110) und (111) -n ach Reduktion (durch Erwärmen auf hçhere Te mperaturen, siehe Abbildung S1) Hinweise auf Ce 3+ -Spezies in den XPS-Daten und eine charakteristische Blauverschiebung der CO-Streckschwingungsbandei nd en IRRAS-Daten gefunden wurden. Bisherige Arbeiten haben gezeigt, dass die CO-Streckfrequenz sehr empfindlich auf das Vorhandensein von O-Leerstellen an CeO 2 und anderen Oxiden reagiert.…”