Reaction Mechanisms for the Electrochemical Reduction of CO2 to CO and Formate on the Cu(100) Surface at 298 K from Quantum Mechanics Free Energy Calculations with Explicit Water

化学 格式化 电化学 电子转移 反应机理 产品分销 电解质 反应动力学 催化作用 计算化学 物理化学 电极 分子 有机化学
作者
Tao Cheng,Hai Xiao,William A. Goddard
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (42): 13802-13805 被引量:398
标识
DOI:10.1021/jacs.6b08534
摘要

Copper is the only elemental metal that reduces a significant fraction of CO2 to hydrocarbons and alcohols, but the atomistic reaction mechanism that controls the product distributions is not known because it has not been possible to detect the reaction intermediates on the electrode surface experimentally, or to carry out Quantum Mechanics (QM) calculations with a realistic description of the electrolyte (water). Here, we carry out QM calculations with an explicit description of water on the Cu(100) surface (experimentally shown to be stable under CO2 reduction reaction conditions) to examine the initial reaction pathways to form CO and formate (HCOO-) from CO2 through free energy calculations at 298 K and pH 7. We find that CO formation proceeds from physisorbed CO2 to chemisorbed CO2 (*CO2δ-), with a free energy barrier of ΔG⧧ = 0.43 eV, the rate-determining step (RDS). The subsequent barriers of protonating *CO2δ- to form COOH* and then dissociating COOH* to form *CO are 0.37 and 0.30 eV, respectively. HCOO- formation proceeds through a very different pathway in which physisorbed CO2 reacts directly with a surface H* (along with electron transfer), leading to ΔG⧧ = 0.80 eV. Thus, the competition between CO formation and HCOO- formation occurs in the first electron-transfer step. On Cu(100), the RDS for CO formation is lower, making CO the predominant product. Thus, to alter the product distribution, we need to control this first step of CO2 binding, which might involve controlling pH, alloying, or changing the structure at the nanoscale.
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