Bonding Interactions of Metal Clusters [M_n (M= Cu, Ag, Au; n=1-4)] with Ammonia. Are the Metal Clusters Adequate as a Model of Surfaces?

Ana Martínez*

Instituto de Investigaciones en Materiales, Universidad Nacional Autónoma de México, Circuito Exterior s/n, Ciudad Universitaria, 04510 Coyoacán, México D.F., México. * e-mail: martina@matilda.iimatercu.unam.mx

Received: October 13, 2004 ]]> Published on the web: April 12, 2005

Abstract

Density Functional (B3LYP/LANL2DZ) calculations for ammonia metal clusters were done in order to obtain bond lengths, M-N stretching vibrational modes, binding energies, Mulliken atomic charges and adiabatic ionization potentials. The results indicate that copper atom forms stronger bonds with ammonia than silver or gold. The bond interaction between Ag_n and ammonia is the weakest of all the systems. The bond of the ammonia molecule to the metal clusters can be compared with the pyridine-M_n systems. Both molecules present a donation interaction from the lone-pair of electrons on the nitrogen atom. Mulliken atomic charges show a small charge transfer from the NH₃ molecule to the metal atom or cluster, suggestive of a dative bond formation. After the charge transfer from the ammonia molecule, the metal clusters undergo a redistribution of the charge and this could be important for the stabilization of the system. In a surface, the redistribution of the charge should be less significant. In this sense, the use of metal clusters as a model of the surface may be an inadequate model.

Keywords: metal clusters, bond lengths, M-N stretching vibrational modes, binding energies, Mulliken atomic charges and adiabatic ionization potentials

Resumo

Cálculos de densidade funcional (B3LYP/LANL2DZ) para clusters metálicos de amônia foram efetuados para obter comprimentos de ligação, modos de estiramento vibracional M-N, energias de ligação, cargas atômicas de Mulliken e potenciais adiabáticos de ionização. Os resultados indicam que átomos de cobre formam ligações mais intensas com amônia do que com prata ou ouro. A interação da ligação Ag_n com amônia é a mais fraca de todos os sistemas. A ligação das moléculas de amônia à clusters metálicos é comparável à de sistemas piridina-M_n Ambas moléculas apresentam uma interação dativa do par de elétrons isolado no átomo de nitrogênio. Cargas atômicas de Mulliken mostram uma pequena transferência de carga da molécula NH₃ para o átomo metálico ou cluster, sugerindo a formação da ligação dativa. Depois da transferência de carga da molécula de amônia, os clusters metálicos sofrem uma redistribuição das cargas e isto pode ser importante na estabilização do sistema. Na superfície, a redistribuição de carga deve ser menos significativa. Nesse sentido, o uso de clusters metálicos como modelo de superfície pode ser um modelo inadequado.

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Acknowledgments

I would like to acknowledge Mrs. Sara Jiménez and Ms María Teresa Vázquez for technical support. I like to acknowledge DGSCA/UNAM (México) for providing computer time. This work was partially founded by DGAPA (#IN124602).

References

1. Reed, M.A.; Zhou, C.; Muller, C.J.; Burgin, T.P.; Tour, J.M.; Science 1997, 278, 252.         [ Links ]

2. Chen, J.; Reed, M.A.; Rawlett, A.M.; Tour, J.M.; Science 1999, 286, 1550.         [ Links ]

3. Emberly, G.; Kirczenow, G.; Phys. Rev. B 1998, 58, 10911.         [ Links ]

4. Hall, L.E.; Reimers, J.R.; Hush, N.S.; Silverbrook, K.; J. Chem. Phys. 2000, 112, 1510.         [ Links ]

5. Seminario, J.M.; de la Cruz, C.E.; Derosa, P.A.; J. Am. Chem. Soc. 2001, 123, 5616.         [ Links ]

6. W u, D.Y.; Ren, B.; Jiang, Y.X.; Xu, X.; Tian, Z.Q.; J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9042.         [ Links ]

7. Zhou, M.; Chen, M.; Zhang, L.; Lu, Hao.; J. Phys. Chem. A 2002, 106, 9017.         [ Links ]

8. Bérces, A.; Hackett, P.A., Lian, Li.; Mitchell, S.A.; Rayner, D.M.; J. Chem. Phys. 1998, 108, 5476.         [ Links ]

9. Martínez, A.; Simard, B.; Salahub, D.R.; J. Phys. Chem. A 2003, 107, 4136.         [ Links ]

10. Pedersen, D.; Simard, B.; Martínez, A.; Moussatova, A.; J. Phys. Chem. A 2003, 107, 6464.         [ Links ]

11. Simard, B.; Rayner, D. M.; Benichou, E.; Mireles, N.; Tenorio, F. J. Martínez, A.; J. Phys. Chem. A 2003, 107, 9099.         [ Links ]

12. Moussatova, A.; Vázquez, M.V.; Martínez, A.; Dolgounitcheva, O.; Zakrzewski, V. G.; Ortiz, J.V.; Pedersen, D.B. Simard. B.; J. Phys. Chem. A 2003, 107, 9415.         [ Links ]

13. Wu, D.Y.; Hayashi, M.; Chang, C.H.; Liang, K.K.; Lin, S.H.; J. Chem. Phys. 2003, 118, 4073. and references therein.         [ Links ]

14. Lambropoulos, N.A; Reimers, J.R.; J. Chem. Phys. 2002, 116, 10277.         [ Links ]

15. Mitchell, S.A.; Lian, L.; Rayner, D.M., Hackett, P.A.; J. Phys. Chem 1996, 100, 15708.         [ Links ]

16. Schooss, D.; Gilb, S.; Kaller, J.; Kappes, M.M.; J. Chem. Phys. 2000, 113, 5361.         [ Links ]

17. Chan, W.T.; Fournier, R.; Chem. Phys. Lett. 1999, 315, 257.         [ Links ]

18. Bauschlicher, C. W.; Langhoff, S. R.; Int. Rev. Phys. Chem. 1990, 9, 149.         [ Links ]

19. Veillard, A.; Chem. Rev. (Washington, D.C) 1991, 91, 743.         [ Links ]

20. Hackett, P. A.; Mitchell, S. A.; Rayner, D. M.; Simard, B. In Metal-Ligand Interactions; Russo, N.; Salahub, D. R., eds., Kluwer Academic Publishers: Netherlands, 1996, p. 289-324.         [ Links ]

21. Doering, W.E.; Nie, S.; J. Phys. Chem. B. 2002, 106, 311.         [ Links ]

22. Gaussian 98, Revision A.9; Frisch, M. J.; Trucks, G. W.; Schlegel, H. B.; Gill, P. M. W.; Johnson, B. G.; Robb, M. A.; Cheeseman, J. R.; Keith, T. A.; Petersson, G. A.; Montgomery, J. A.; Raghavachari, K.; Al-Laham, M. A.; Zakrzewski, V. G.; Ortiz, J.V.; Foresman, J.B.; Cioslowski, J.; Stefanov, B.B.; Nanayakkara, A.; Challacombe, M.; Peng, C.Y.; Ayala, P.Y.; Chen, W.; Wong, M.W.; Andres, J.L.; Replogle, E.S.; Gomperts, R.; Martin, R. L.; Fox, D.J.; Binkley, J.S.; Defrees, D.J.; Baker J.; Stewart, J.P. Head-Gordon, M.; González, C. and Pople, J.A.; Gaussian Inc.: Pittsburg, P.A. 1995.         [ Links ]

23. Becke, A. D.; J. Chem. Phys. 1993, 98, 5648;         [ Links ] Lee, C. ; Yang, W.; Parr, R. G.; Phys. Rev. B. 1988, 37, 785;         [ Links ] Mielich, B.; Savin, A.; Stoll, H.; Preuss, H.; Chem. Phys. Lett. 1989, 157, 200.         [ Links ]

24. Hay, P. J.; Wadt, W. R.; J. Chem. Phys. 1985, 82, 270.         [ Links ]

25. Wadt, W. R.; Hay, P.J.; J. Chem. Phys. 1985, 82, 284.         [ Links ]

26. Hay, P. J.; Wadt, W. R. ; J. Chem. Phys. 1985, 82, 299.         [ Links ]

27. Fuentealba, P.; Simon, Y.; J. Phys. Chem. 1997, 101, 4231;         [ Links ] DeProft, F.; Martin, J.M.L.; Geerlings, P.; Chem. Phys. Lett. 1996, 250, 393        [ Links ]

28. Siegbahn, P.E.M.; Blomberg, M.R.A.; Annu. Rev. Phys. Chem. 1999, 50, 221;         [ Links ] Martínez, A.; Tenorio F. J.; Ortiz, J.V.; J. Phys. Chem. A 2001, 105, 8787;         [ Links ] Martínez, A.; Tenorio, F. J. ; Ortiz, J.V.; J. Phys. Chem.A 2001, 105, 11291;         [ Links ] Martínez, A.; Sansores, L.E.; Salcedo, R. ; Tenorio F. J.; Ortiz, J.V.; J. Phys. Chem. A 2002, 106, 10630;         [ Links ] Martínez, A.; Tenorio, F.J.; Ortiz, J.V.; J. Phys. Chem. A 2003, 107, 2589;         [ Links ] Tenorio, F.J., Murray, I. Martínez, A.; Klabunde, K.J.; Ortiz, J.V.; J. Chem. Phys. 2004, 120, 7955.         [ Links ]

29. Oliveira, A.E.; Guadagnini, P.H.; Haiduke, L.A.; Bruns, R. E.; J. Phys. Chem. A 1999, 103, 4918.         [ Links ]

30. Giebõel, T.; Schaff, O,; Lindsay, R.; Baumgärtel, P.; Polcik, M.; Bradshaw, A.M.; J. Chem. Phys. 1999, 110, 9666.         [ Links ]

31. Mierzwicki, K.; Latajka, Z.; Chem. Phys. 2001, 265, 301.         [ Links ]

32. Hashimoto, K.; Kamimoto, T.; J. Am. Chem. Soc. 1998, 120, 3560.         [ Links ]