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Charting C–C coupling pathways in electrochemical CO 2 reduction on Cu(111) using embedded correlated wavefunction theory

密度泛函理论 电化学 化学 波函数 计算化学 联轴节(管道) 材料科学 物理化学 物理 量子力学 电极 冶金
作者
Qing Zhao,John Mark P. Martirez,Emily A. Carter
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:119 (44): e2202931119-e2202931119 被引量:85
标识
DOI:10.1073/pnas.2202931119
摘要

The electrochemical CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) powered by excess zero-carbon-emission electricity to produce especially multicarbon (C 2+ ) products could contribute to a carbon-neutral to carbon-negative economy. Foundational to the rational design of efficient, selective CO 2 RR electrocatalysts is mechanistic analysis of the best metal catalyst thus far identified, namely, copper (Cu), via quantum mechanical computations to complement experiments. Here, we apply embedded correlated wavefunction (ECW) theory, which regionally corrects the electron exchange-correlation error in density functional theory (DFT) approximations, to examine multiple C–C coupling steps involving adsorbed CO (*CO) and its hydrogenated derivatives on the most ubiquitous facet, Cu(111). We predict that two adsorbed hydrogenated CO species, either *COH or *CHO, are necessary precursors for C–C bond formation. The three kinetically feasible pathways involving these species yield all three possible products: *COH–CHO, *COH–*COH, and *OCH–*OCH. The most kinetically favorable path forms *COH–CHO. In contrast, standard DFT approximations arrive at qualitatively different conclusions, namely, that only *CO and *COH will prevail on the surface and their C–C coupling paths produce only *COH–*COH and *CO–*CO, with a preference for the first product. This work demonstrates the importance of applying qualitatively and quantitatively accurate quantum mechanical method to simulate electrochemistry in order ultimately to shed light on ways to enhance selectivity toward C 2+ product formation via CO 2 RR electrocatalysts.
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