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Deciphering the Stability Mechanism of Cu Active Sites in CO2 Electroreduction via Suppression of Antibonding Orbital Occupancy in the O 2p-Cu 3d Hybridization

反键分子轨道 催化作用 轨道能级差 分子轨道 化学物理 化学 反应机理 联轴节(管道) 结晶学 原子轨道 计算化学 材料科学 分子 物理 电子 冶金 生物化学 有机化学 量子力学
作者
Yanfei Sun,Xiaojun Wang,Huiying Zhang,Xueying Gao,Xiaoxuan Wang,Shiyu Wang,Zheng Tang,Shuyuan Li,Kaiqi Nie,Jiangzhou Xie,Zhiyu Yang,Yi‐Ming Yan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (3): 1351-1362 被引量:54
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c04710
摘要

Copper-based catalysts, hallmarked by their ideal C–C coupling energy facilitated by the symbiotic presence of Cu+ and Cu0 active sites, are poised to revolutionize the selective electrochemical reduction of CO2 to C2H4. Regrettably, these catalysts are beleaguered by the unavoidable diminution of Cu+ to Cu0 during the reaction process, resulting in suboptimal C2H4 yields. To circumvent this limitation, we have judiciously mitigated the antibonding orbital occupancy in the O 2p and Cu+ 3d hybridization by introducing Cu defects into Cu2O, thereby augmenting the Cu–O bond strength to stabilize Cu+ sites and further decipher the stabilization mechanism of Cu+. This structural refinement, illuminated by meticulous DFT calculations, fosters a heightened free energy threshold for the hydrogen evolution reaction (HER), while orchestrating a thermodynamically favorable milieu for enhanced C–C coupling within the Cu-deficient Cu2O (Cuv-Cu2O). Empirically, Cuv-Cu2O has outperformed its pure Cu2O counterpart, exhibiting a prominent C2H4/CO ratio of 1.69 as opposed to 1.01, without conceding significant ground in C2H4 production over an 8 h span at −1.3 V vs RHE. This endeavor not only delineates the critical influence of antibonding orbital occupancy on bond strength and reveals the deep mechanism about Cu+ sites but also charts a pioneering pathway in the realm of advanced materials design.
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