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Potential-Gated Transient Zn Single Adatoms on the Inverse Zn1O x /Cu Catalyst Steer Efficient Electroreduction of CO2

化学 质子化 催化作用 密度泛函理论 电化学 极化(电化学) 金属 反向 从头算 瞬态(计算机编程) 从头算量子化学方法 化学物理 氧化还原 氢 分子动力学 无机化学 反应机理 溶剂 分子线 各向异性 物理化学 电子结构 计算化学 原位 锌 反应中间体 多相催化 过渡金属 光化学 结晶学 电极 阴极保护
作者
Ningyao Xiang,Yun‐Ze Qiu,Jiangshan He,Jun Li,Hai Xiao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (30): 32691-32700
标识
DOI:10.1021/jacs.6c10715
摘要

The inverse ZnOx/Cu catalysts exhibit exceptional activity for the electrochemical CO2 reduction reaction (eCO2RR). However, identifying the atomistic origin of their structure-activity relationship is hindered by the dynamic nature of the active sites under operando conditions. Herein, we combine grand-canonical ensemble density functional theory and explicit-solvent ab initio molecular dynamics to reveal a potential-gated transient single-adatom mechanism in the atomically dispersed inverse Zn1Ox/Cu catalyst. We demonstrate that the O-coordinated Zn sites on Cu surfaces undergo in situ reduction at cathodic potentials, transforming into transient metallic Zn single adatoms, which are robustly stabilized via Zn-Cu electronic coupling and interfacial solvent confinement. This transient single adatom structurally preorganizes the chemisorbed CO2 intermediate via asymmetric polarization and redirects protonation toward a solvent-exposed oxygen, thereby creating a geometry-enabled pathway unavailable on pristine Cu or with embedded Zn single atoms. This distinct reaction geometry lowers the rate-determining protonation barrier while avoiding the promotion of the competing hydrogen evolution reaction. These findings suggest electrochemically gated transient single adatoms as a design strategy for highly efficient and selective electrocatalysis.
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