Critical Role of Reaction Kinetics in Selectivity Control of Electrochemical CO 2 Reduction on Copper-Based Single-Atom Alloys

选择性 催化作用 电化学 离解(化学) 动力学 电催化剂 化学 无机化学 材料科学 反应机理 化学动力学 氧化还原 金属 电极 动力控制 动能 过渡金属 反应中间体 产物抑制 多相催化 光化学 反应速率
作者
Dongyang Li,JL Long,Dong Luan,Huijuan Jing,L. Li,Jianping Xiao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (3): 1986-1994
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c05119
摘要

Copper is a promising catalyst for the electroreduction of CO2 (eCO2RR). Recently, copper-based single-atom alloys (Cu-SAAs) have been widely used to tune the selectivity of the eCO2RR. In experiments, the dominant product can be distinct when different single metal atoms are embedded in Cu, while the fundamental reasons are not clear. In this work, we demonstrated that the thermodynamic investigation of the key intermediates, COOH* and HCOO*, is not sufficient to rationalize the selectivity of Cu-SAAs. We found that the kinetics plays a critical role in selectivity control. The electrochemical barrier calculations and microkinetic simulations indicate that HCOOH is the dominant product on CuPb1 via the COOH* intermediate, beyond the conventional understanding that HCOOH is produced via HCOO*. However, on CuSb1, CO shows higher selectivity than HCOOH due to the lower barrier for associative hydrogenation and dissociation of COOH* to CO* than for HCOOH* production. These simulated results agree well with previous experiments, providing valuable kinetic insights into the selectivity of the eCO2RR on Cu-SAAs.
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