Interfacial Electron Modulation with Ionic Liquids: Dual Optimization of CO2 Confinement and Charge Transfer for Enhanced Electroreduction on Cu

离子液体 电子转移 电荷(物理) 调制(音乐) 电子 化学 材料科学 化学物理 离子键合 分析化学(期刊) 光化学 催化作用 离子 物理 有机化学 量子力学 声学
作者
Chuanhui Wang,Mingyue Qiu,Guizeng Liang,Hui Yan,Jiamin Ma,Lijuan Shi,Congyun Zhang
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:41 (34): 22874-22885 被引量:9
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c02334
摘要

The high-rate electrocatalytic CO 2 reduction reaction (CO 2 RR) to afford multicarbon products (C 2 ) holds transformative potential for advancing sustainable energy systems. Ionic liquids (ILs) have emerged as dynamic modulators to promote the C 2 pathway, yet the underlying atomistic mechanisms of ILs in modulating this CO 2 RR process remain fundamentally unclear. Here, by integrating molecular dynamics (MD) simulations, density functional theory (DFT) calculations, and experimental validations, we systematically elucidate the critical influence of 1-(3-aminopropyl)-3-methylimidazole chloride ILs in optimizing the CO 2 RR pathway on Cu surfaces through electronic structure engineering. MD simulations demonstrate that ILs establish a CO 2 -enriched interfacial microenvironment that restricts bulk-phase CO 2 diffusion through the confinement effect. Electron structure analyses reveal that ILs synergistically enhance interfacial electron accumulation and directional charge transfer for adsorbed CO 2 and key intermediates (*CO, *COH, *CHO, and *C), collectively stabilizing them through IL-induced strengthening of Cu–C bonding. More importantly, the introduction of ILs dramatically reduces the activation barrier of the rate-determining C–C coupling step and thermodynamically favors the CO 2 RR to C 2 H 4 and C 2 H 5 OH pathways through atom orbital hybridization. Additionally, the ILs not only enhance the CO 2 RR but also suppress the hydrogen evolution reaction (HER) through proton confinement. This work provides molecular-level insights into the dynamic role of ILs in optimizing CO 2 RR processes and offers a foundation for designing advanced IL-mediated electrocatalytic systems.
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