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Fast Transformation of CO2 into CO Via a Hydrogen Bond Network on the Cu Electrocatalysts

过电位 化学 催化作用 铜 溶剂 吸附 氢键 物理化学 无机化学 化学物理 计算化学 分子 电化学 有机化学 电极
作者
Huimin Yan,Zixuan Wang,Yamin Wang,Guang‐Jie Xia,Yang‐Gang Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:126 (18): 7841-7848 被引量:33
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.2c01857
摘要

In the present study, we have performed ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations combined with an explicit solvent model to probe the mechanism of CO 2 electroreduction to CO on a copper catalyst. In the presence of an explicit water environment, we have identified an anisotropic adsorption of CO 2 at the copper–water interface where one C–O bond penetrates to the solvent and the other one is parallel to the surface. This type of titled configuration suggests a competitive interaction between the copper catalyst and the solvent toward CO 2 adsorption, therefore leading to the activation of CO 2 . It is further found that the C–O bond in the solvent is easier to hydrogenate because of the formation of hydrogen bonds, while the C–O bond parallel to the surface is much more elongated (i.e., activated) due to the efficient charge transfer from copper. Although the hydrogenation is calculated to be favorable at the C–O bond in the solvent, the MD simulations suggest a fast-irreversible proton transformation from the C–O bond in the solvent to the C–O bond on the surface via the hydrogen bond network. This process finally results in the formation of COOH species on the copper surface, accounting for the low kinetic barrier for CO formation. Our work properly rationalizes the experimental observations of CO 2 RR on the copper surface, which provides a fundamental understanding of the fast formation of CO* from CO 2 on the Cu(100) surface at a less negative overpotential.
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