Mechanism of CO2 Reduction at Copper Surfaces: Pathways to C2 Products

铜 密度泛函理论 电解质 电化学 化学物理 反应机理 化学 还原(数学) 电荷密度 机制(生物学) 电极 计算化学 催化作用 物理化学 物理 量子力学 数学 有机化学 几何学
作者
Alejandro J. Garza,Alexis T. Bell,Martin Head‐Gordon
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (2): 1490-1499 被引量:929
标识
DOI:10.1021/acscatal.7b03477
摘要

On the basis of constraints from reported experimental observations and density functional theory simulations, we propose a mechanism for the reduction of CO 2 to C 2 products on copper electrodes. To model the effects of an applied potential bias on the reactions, calculations are carried out with a variable, fractional number of electrons on the unit cell, which is optimized so that the Fermi level matches the actual chemical potential of electrons (i.e., the applied bias); an implicit electrolyte model allows for compensation of the surface charge so that neutrality is maintained in the overall simulation cell. Our mechanism explains the presence of the seven C 2 species that have been detected in the reaction, as well as other notable experimental observations. Furthermore, our results shed light on the difference in activities toward C 2 products between the (100) and (111) facets of copper. We compare our methodologies and findings with those in other recent mechanistic studies of the copper-catalyzed CO 2 reduction reaction.
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