Discovering a Single‐Atom Catalyst for CO2 Electroreduction to C1 Hydrocarbons: Thermodynamics and Kinetics on Aluminum‐Doped Copper

催化作用 化学 烷烃 电化学 物理化学 密度泛函理论 过渡金属 吸附 电催化剂 动力学 无机化学 活化能 计算化学 电极 有机化学 物理 量子力学
作者
Anwin John,Anand Mohan Verma,M. Shaneeth,Ananth Govind Rajan
出处
期刊:Chemcatchem [Wiley]
卷期号:15 (14) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/cctc.202300188
摘要

Abstract The electrochemical reduction of carbon dioxide (CO 2 ) to hydrocarbons is a potential option to achieve carbon neutrality. Although copper (Cu) shows the highest activity for the CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) to hydrocarbons among metals, high reaction overpotentials and significant H 2 production limit its use. We investigate single‐atom alloys (SAAs) of ten metals (Ag, Au, Fe, Ir, Ni, Pd, Pt, Rh, Ru, Al) on Cu(111), which is the most‐favored facet on Cu for methane production, using density functional theory. We examined the dopants’ ability to lower the free energy of the elementary reaction, *CO to *CHO, which is the potential‐determining step (PDS). Out of the SAAs studied, only Al‐doped Cu demonstrated a lowering of the PDS free energy. Additionally, weaker adsorption energies of *CO and *H on Al−Cu(111) suggest a preference for C 1 hydrocarbons and inhibition of H 2 evolution. Finally, activation barrier calculations for the PDS on Al−Cu(111) involving an explicitly hydrated proton indicated better intrinsic activity for C 1 hydrocarbons compared to pure Cu(111). We also confirmed the stability of Al−Cu SAA compared to small Al clusters. Through a comprehensive study of both thermodynamics and kinetics, our study presents Al−Cu SAA as a promising catalyst for CO 2 electroreduction to C 1 hydrocarbons.
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