Mechanistic Explanation of the pH Dependence and Onset Potentials for Hydrocarbon Products from Electrochemical Reduction of CO on Cu (111)

化学 电化学 碳氢化合物 密度泛函理论 选择性 溶剂化 电极 吸附 电极电位 计算化学 无机化学 物理化学 分子 有机化学 催化作用
作者
Hai Xiao,Tao Cheng,William A. Goddard,Ravishankar Sundararaman
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:138 (2): 483-486 被引量:508
标识
DOI:10.1021/jacs.5b11390
摘要

Energy and environmental concerns demand development of more efficient and selective electrodes for electrochemical reduction of CO2 to form fuels and chemicals. Since Cu is the only pure metal exhibiting reduction to form hydrocarbon chemicals, we focus here on the Cu (111) electrode. We present a methodology for density functional theory calculations to obtain accurate onset electrochemical potentials with explicit constant electrochemical potential and pH effects using implicit solvation. We predict the atomistic mechanisms underlying electrochemical reduction of CO, finding that (1) at acidic pH, the C1 pathway proceeds through COH to CHOH to form CH4 while C2 (C3) pathways are kinetically blocked; (2) at neutral pH, the C1 and C2 (C3) pathways share the COH common intermediate, where the branch to C-C coupling is realized by a novel CO-COH pathway; and (3) at high pH, early C-C coupling through adsorbed CO dimerization dominates, suppressing the C1 pathways by kinetics, thereby boosting selectivity for multi-carbon products.
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