Revisiting Understanding of Electrochemical CO2 Reduction on Cu(111): Competing Proton-Coupled Electron Transfer Reaction Mechanisms Revealed by Embedded Correlated Wavefunction Theory

化学 电子转移 密度泛函理论 电化学 氧化还原 质子耦合电子转移 波函数 质子 计算化学 化学物理 物理化学 电极 原子物理学 无机化学 量子力学 物理
作者
Qing Zhao,John Mark P. Martirez,Emily A. Carter
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (16): 6152-6164 被引量:136
标识
DOI:10.1021/jacs.1c00880
摘要

Copper (Cu) electrodes, as the most efficacious of CO2 reduction reaction (CO2RR) electrocatalysts, serve as prototypes for determining and validating reaction mechanisms associated with electrochemical CO2 reduction to hydrocarbons. As in situ electrochemical mechanism determination by experiments is still out of reach, such mechanistic analysis typically is conducted using density functional theory (DFT). The semilocal exchange-correlation (XC) approximations most often used to model such catalysis unfortunately engender a basic error: predicting the wrong adsorption site for CO (a key CO2RR intermediate) on the most ubiquitous facet of Cu, namely, Cu(111). This longstanding inconsistency casts lingering doubt on previous DFT predictions of the attendant CO2RR kinetics. Here, we apply embedded correlated wavefunction (ECW) theory, which corrects XC functional error, to study the CO2RR on Cu(111) via both surface hydride (*H) transfer and proton-coupled electron transfer (PCET). We predict that adsorbed CO (*CO) reduces almost equally to two intermediates, namely, hydroxymethylidyne (*COH) and formyl (*CHO) at -0.9 V vs the RHE. In contrast, semilocal DFT approximations predict a strong preference for *COH. With increasing applied potential, the dominance of *COH (formed via potential-independent surface *H transfer) diminishes, switching to the competitive formation of both *CHO and *COH (both formed via potential-dependent PCET). Our results also demonstrate the importance of including explicitly modeled solvent molecules in predicting electron-transfer barriers and reveal the pitfalls of overreliance on simple surface *H transfer models of reduction reactions.
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