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Hydronium-Induced Switching between CO2 Electroreduction Pathways

化学 催化作用 选择性 格式化 电解质 半反应 氢氧化物 氢氧化钾 水溶液 光化学 氢铵 无机化学 分子 物理化学 有机化学 电极
作者
Ali Seifitokaldani,Christine M. Gabardo,Thomas Burdyny,Cao‐Thang Dinh,Jonathan P. Edwards,Md Golam Kibria,Oleksandr S. Bushuyev,Shana O. Kelley,David Sinton,Edward H. Sargent
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (11): 3833-3837 被引量:171
标识
DOI:10.1021/jacs.7b13542
摘要

Over a broad range of operating conditions, many CO2 electroreduction catalysts can maintain selectivity toward certain reduction products, leading to materials and surfaces being categorized according to their products; here we ask, is product selectivity truly a property of the catalyst? Silver is among the best electrocatalysts for CO in aqueous electrolytes, where it reaches near-unity selectivity. We consider the hydrogenations of the oxygen and carbon atoms via the two proton-coupled-electron-transfer processes as chief determinants of product selectivity; and find using density functional theory (DFT) that the hydronium (H3O+) intermediate plays a key role in the first oxygen hydrogenation step and lowers the activation energy barrier for CO formation. When this hydronium influence is removed, the activation energy barrier for oxygen hydrogenation increases significantly, and the barrier for carbon hydrogenation is reduced. These effects make the formate reaction pathway more favorable than CO. Experimentally, we then carry out CO2 reduction in highly concentrated potassium hydroxide (KOH), limiting the hydronium concentration in the aqueous electrolyte. The product selectivity of a silver catalyst switches from entirely CO under neutral conditions to over 50% formate in the alkaline environment. The simulated and experimentally observed selectivity shift provides new insights into the role of hydronium on CO2 electroreduction processes and the ability for electrolyte manipulation to directly influence transition state (TS) kinetics, altering favored CO2 reaction pathways. We argue that selectivity should be considered less of an intrinsic catalyst property, and rather a combined product of the catalyst and reaction environment.
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