The effects of halide anions on the electroreduction of CO2 to C2H4: a density functional theory study

卤化物 密度泛函理论 化学 电化学 解吸 催化作用 电解质 反应机理 无机化学 光化学 计算化学 吸附 物理化学 电极 有机化学
作者
Xifei Ma,Lü Xing,Xiaoqian Yao,Xiangping Zhang,Lei Liu,Suojiang Zhang
出处
期刊:Cornell University - arXiv [Cornell University]
标识
DOI:10.48550/arxiv.2112.11746
摘要

The halide anions present in the electrolyte gradually improves the Faradaic efficiencies (FEs) of the multi-hydrocarbon (C2+) products for the electrochemical reduction of CO2 over copper (Cu) catalysts in the order of F- < Cl- < Br- < I-. However, the mechanism behind the increased yield of C2+ products with the addition of halide anions still remains indistinct. In this study, we analysed the mechanism by investigating the electronic structures and computing the relative free energies of intermediates formed from CO2 to C2H4 on the Cu (100) facet based on density functional theory (DFT) calculations. The results show that formyl *CHO species from the hydrogenation reaction of the adsorbed *CO acts as the key intermediate, and the C-C coupling reaction occurs preferentially between the *CHO and *CO with the formation of a *CHO-CO intermediate. Subsequently, the free-energy pathway of C2H4 formation has been proposed, and we found that the presence of halide anions significantly decreases the free energy of the *CHOCH intermediate, and enhances the desorption capacity of C2H4 in the order of F- < Cl- < Br- < I-. Lastly, the obtained results are rationalized by the Bader charge analysis.
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