Atomistic Mechanisms Underlying Selectivities in C1 and C2 Products from Electrochemical Reduction of CO on Cu(111)

化学 乙炔 电化学 乙烯 烯酮 甲醇 碳氢化合物 甲烷 选择性 金属 质子 无机化学 有机化学 催化作用 物理化学 电极 物理 量子力学
作者
Hai Xiao,Tao Cheng,William A. Goddard
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:139 (1): 130-136 被引量:379
标识
DOI:10.1021/jacs.6b06846
摘要

Practical environmental and energy applications of the electrochemical reduction of CO2 to chemicals and fuels require far more efficient and selective electrocatalysts beyond the only working material Cu, but the wealth of experimental data on Cu can serve to validate any proposed mechanisms. To provide design guidelines, we use quantum mechanics to predict the detailed atomistic mechanisms responsible for C1 and C2 products on Cu. Thus, we report the pH dependent routes to the major products, methane and ethylene, and identify the key intermediates where branches to methanol, ketene, ethanol, acetylene, and ethane are kinetically blocked. We discovered that surface water on Cu plays a key role in the selectivity for hydrocarbon products over the oxygen-containing alcohol products by serving as a strong proton donor for electrochemical dehydration reductions. We suggest new experiments to validate our predicted mechanisms.
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