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ACS Catal.: 尋蹤溯源：根據(jù)pH依賴性來揭示電化學(xué)CO還原機(jī)制

時(shí)間：2022-04-19 來源： 瀏覽：

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CO (2) 電化學(xué)轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锖秃趸衔锸菍?shí)現(xiàn)碳循環(huán)閉環(huán)的一條有希望的途徑。然而，迄今為止，針對過多產(chǎn)物的反應(yīng)機(jī)制存在爭議，這使尋找替代催化劑材料變得復(fù)雜。
為了最終確定銅上CO還原的限速步驟， 美國SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室Christopher Hahn 和 丹麥科技大學(xué)Georg Kastlunger 等通過基于恒電位密度泛函理論(DFT)動(dòng)力學(xué)和在廣泛pH值范圍內(nèi)的實(shí)驗(yàn)分析了反應(yīng)的機(jī)制。
基于達(dá)到酸性條件的pH相關(guān)實(shí)驗(yàn)，必須明確排除在限速步驟中涉及質(zhì)子轉(zhuǎn)移。通過H 2 O和H 3 O + 質(zhì)子供體的恒電位從頭算計(jì)算，研究人員證明只有速率受兩個(gè)*CO分子耦合限制的反應(yīng)才能解釋eCO (2) R到多碳產(chǎn)品的測量結(jié)果。分析中的兩種獨(dú)立方法得出了相同的結(jié)果，即與*OCCO的質(zhì)子化相比，質(zhì)子供體變化時(shí)電流密度沒有變化，并且對電流密度的潛在響應(yīng)較低。
對于甲烷的形成，研究人員最終排除了基于*CO和*H表面組合的機(jī)制，因?yàn)樗鼤?dǎo)致在反應(yīng)條件下無法檢測到電流密度和接近無限的Tafel斜率；另一方面，研究人員確定了限速步驟隨電解液pH值的變化而產(chǎn)生甲烷：雖然在中性和酸性條件下，PCET的第一步是限速的，但在pH > 9時(shí)，第三步是限速的，導(dǎo)致該機(jī)制僅在堿性條件下才具有pH依賴性。
總的來說，該項(xiàng)工作的分析最終闡明了eCO (2) R中對甲烷和C 2+ 產(chǎn)物的限速步驟；結(jié)果還表明，能夠穩(wěn)定*OCCO二聚體的電催化劑是生產(chǎn)高價(jià)值C 2 產(chǎn)品的在Cu催化劑的替代者。

Using pH Dependence to Understand Mechanisms in Electrochemical CO Reduction. ACS Catalysis, 2022. DOI: 10.1021/acscatal.1c05520

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