二氧化碳电还原反应的理论研究

苑琦 杨昊 谢淼 程涛

引用本文: 苑琦, 杨昊, 谢淼, 程涛. 二氧化碳电还原反应的理论研究[J]. 物理化学学报, 2021, 37(5): 201004. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010040 shu
Citation:  Yuan Qi, Yang Hao, Xie Miao, Cheng Tao. Theoretical Research on the Electroreduction of Carbon Dioxide[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2021, 37(5): 201004. doi: 10.3866/PKU.WHXB202010040 shu

二氧化碳电还原反应的理论研究

    作者简介:


    程涛,1984年7月。2012年于上海交通大学获得化学博士学位。现受聘于苏州大学功能纳米与软物质学院。主要研究方向为理论计算化学。主要研究领域为利用基于量子化学的多尺度模拟方法研究重要的催化和能源问题,如二氧化碳电还原、燃料电池、锂金属电池等;
    通讯作者: 程涛, tcheng@suda.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21975148)与江苏省自然科学基金(SBK20190810)资助

摘要: 通过电能将二氧化碳转化为高附加值的工业产品:一方面有利于大幅度减少空气中二氧化碳这类温室气体的含量,同时也实现了电能到化学能的转化,实现电化学储能。尽管对二氧化碳电化学还原的研究已经有三十多年,但仍然缺乏高效地将二氧化碳电化学还原的催化剂。目前,已报道的研究体系在催化性能上远远无法满足工业生产的要求。为了开发制备更高效的二氧化碳电化学还原催化剂,深入理解二氧化碳电还原反应机理至关重要。在研究电化学反应机理方面,理论模拟可以从原子水平提供基元反应的反应细节和能量信息,补充了实验无法提供的微观反应机理。一方面解释了已有实验现象,另一方面也为反应机理的研究提供了新的认识。在此基础上,利用高通量计算和机器学习这些新的研究范式,为加速材料开发提供了理性设计的新思路。在本工作中,我们将对近些年来二氧化碳电还原方面的理论研究工作进行系统性的总结。

English

    1. [1]

      Kondratenko, E. V.; Mul, G.; Baltrusaitis, J.; Larrazábal, G. O.; Pérez-Ramírez, J. Energy Environ. Sci. 2013, 6, 3112. doi: 10.1039/C3EE41272E

    2. [2]

      Appel, A. M.; Bercaw, J. E.; Bocarsly, A. B.; Dobbek, H.; DuBois, D. L.; Dupuis, M.; Ferry, J. G.; Fujita, E.; Hille, R.; Kenis, P. J. A.; et al. Chem. Rev. 2013, 113, 6621. doi: 10.1021/cr300463y

    3. [3]

      Davis, S. J.; Lewis, N. S.; Shaner, M.; Aggarwal, S.; Arent, D.; Azevedo, I. L.; Benson, S. M.; Bradley, T.; Brouwer, J.; Chiang, Y.-M.; et al. Science 2018, 360, eaas9793. doi: 10.1126/science.aas9793.

    4. [4]

      Qiao, J.; Liu, Y.; Hong, F.; Zhang, J. Chem. Soc. Rev. 2014, 43, 631. doi: 10.1039/C3CS60323G

    5. [5]

      Lewis, N. S.; Nocera, D. G. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2006, 103, 15729. doi: 10.1073/pnas.0603395103

    6. [6]

      Graves, C.; Ebbesen, S. D.; Mogensen, M.; Lackner, K. S. Renew. Sust. Energ. Rev. 2011, 15, 1. doi: 10.1016/j.rser.2010.07.014

    7. [7]

      Chu, S.; Cui, Y.; Liu, N. Nat. Mater. 2017, 16, 16. doi: 10.1038/nmat4834

    8. [8]

      Nitopi, S.; Bertheussen, E.; Scott, S. B.; Liu, X.; Engstfeld, A. K.; Horch, S.; Seger, B.; Stephens, I. E. L.; Chan, K.; Hahn, C.; et al. Chem. Rev. 2019, 119, 7610. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00705

    9. [9]

      Kuhl, K. P.; Cave, E. R.; Abram, D. N.; Jaramillo, T. F. Energy Environ. Sci. 2012, 5, 7050. doi: 10.1039/C2EE21234J

    10. [10]

      Bushuyev, O. S.; De Luna, P.; Dinh, C. T.; Tao, L.; Saur, G.; van de Lagemaat, J.; Kelley, S. O.; Sargent, E. H. Joule 2018, 2, 825. doi: 10.1016/j.joule.2017.09.003

    11. [11]

      Jouny, M.; Luc, W.; Jiao, F. Ind. Eng. Chem. Res. 2018, 57, 2165. doi: 10.1021/acs.iecr.7b03514

    12. [12]

      Spurgeon, J. M.; Kumar, B. Energy Environ. Sci. 2018, 11, 1536. doi: 10.1039/C8EE00097B

    13. [13]

      Whipple, D. T.; Kenis, P. J. A. J. Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 3451. doi: 10.1021/jz1012627

    14. [14]

      Yoshio, H.; Katsuhei, K.; Shin, S. Chem. Lett. 1985, 14, 1695. doi: 10.1246/cl.1985.1695.

    15. [15]

      Hori, Y.; Wakebe, H.; Tsukamoto, T.; Koga, O. Electrochim. Acta 1994, 39, 1833. doi: 10.1016/0013-4686(94)85172-7

    16. [16]

      Bagger, A.; Ju, W.; Varela, A. S.; Strasser, P.; Rossmeisl, J. ChemPhysChem 2017, 18, 3266. doi: 10.1002/cphc.201700736

    17. [17]

      Hori, Y.; Murata, A.; Takahashi, R. J. Chem. Soc. Faraday Trans. 1989, 85, 2309. doi: 10.1039/F19898502309

    18. [18]

      Hori, Y.; Kikuchi, K.; Murata, A.; Suzuki, S. Chem. Lett. 1986, 15, 897. doi: 10.1246/cl.1986.897

    19. [19]

      Hori, Y.; Murata, A.; Takahashi, R.; Suzuki, S. J. Chem. Soc. Chem. Commun. 1988, 17. doi: 10.1039/C39880000017

    20. [20]

      Xu, S.; Carter, E. A. Chem. Rev. 2019, 119, 6631. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00481

    21. [21]

      Seh, Z. W.; Kibsgaard, J.; Dickens, C. F.; Chorkendorff, I.; Nørskov, J. K.; Jaramillo, T. F. Science 2017, 355, eaad4998. doi: 10.1126/science.aad4998

    22. [22]

      Hammer, B.; Hansen, L. B.; Nørskov, J. K. Phys. Rev. B 1999, 59, 7413. doi: 10.1103/PhysRevB.59.7413

    23. [23]

      Hammer, B.; Morikawa, Y.; Nørskov, J. K. Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 2141. doi: 10.1103/PhysRevLett.76.2141.

    24. [24]

      Mathew, K.; Sundararaman, R.; Letchworth-Weaver, K.; Arias, T. A.; Hennig, R. G. J. Chem. Phys 2014, 140, 084106. doi: 10.1063/1.4865107

    25. [25]

      Tomasi, J.; Mennucci, B.; Cammi, R. Chem. Rev. 2005, 105, 2999. doi: 10.1021/cr9904009

    26. [26]

      Skyner, R. E.; McDonagh, J. L.; Groom, C. R.; van Mourik, T.; Mitchell, J. B. O. Phys. Chem. Chem. Phys. 2015, 17, 6174. doi: 10.1039/C5CP00288E

    27. [27]

      Nørskov, J. K.; Rossmeisl, J.; Logadottir, A.; Lindqvist, L.; Kitchin, J. R.; Bligaard, T.; Jónsson, H. J. Phys. Chem. B 2004, 108, 17886. doi: 10.1021/jp047349j

    28. [28]

      Taylor, C. D.; Wasileski, S. A.; Filhol, J.-S.; Neurock, M. Phys. Rev. B 2006, 73, 165402. doi: 10.1103/PhysRevB.73.165402

    29. [29]

      Lozovoi, A. Y.; Alavi, A.; Kohanoff, J.; Lynden-Bell, R. M. J. Chem. Phys. 2001, 115, 1661. doi: 10.1063/1.1379327

    30. [30]

      Letchworth-Weaver, K.; Arias, T. A. Phys. Rev. B 2012, 86, 075140. doi: 10.1103/PhysRevB.86.075140

    31. [31]

      Sundararaman, R.; Letchworth-Weaver, K.; Arias, T. A. J. Chem. Phys. 2012, 137, 044107. doi: 10.1063/1.4737392

    32. [32]

      Chan, K.; Nørskov, J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2663. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b01043

    33. [33]

      Chan, K.; Nørskov, J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 1686. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b00382

    34. [34]

      Liu, X.; Schlexer, P.; Xiao, J.; Ji, Y.; Wang, L.; Sandberg, R. B.; Tang, M.; Brown, K. S.; Peng, H.; Ringe, S.; et al. Nat. Commun 2019, 10, 32. doi: 10.1038/s41467-018-07970-9

    35. [35]

      Schouten, K. J. P.; Pérez Gallent, E.; Koper, M. T. M. J. Electroanal. Chem. 2014, 716, 53. doi: 10.1016/j.jelechem.2013.08.033

    36. [36]

      Wuttig, A.; Yoon, Y.; Ryu, J.; Surendranath, Y. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17109. doi: 10.1021/jacs.7b08345

    37. [37]

      Laio, A.; Parrinello, M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2002, 99, 12562. doi: 10.1073/pnas.202427399

    38. [38]

      Ciccotti, G.; Ryckaert, J. P. Comput. Phys. Rep. 1986, 4, 346. doi: 10.1016/0167-7977(86)90022-5

    39. [39]

      Ryckaert, J. P.; Ciccotti, G. J. Chem. Phys. 1983, 78, 7368. doi: 10.1063/1.444728

    40. [40]

      Fixman, M. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 1974, 71, 3050. doi: 10.1073/pnas.71.8.3050

    41. [41]

      Carter, E. A.; Ciccotti, G.; Hynes, J. T.; Kapral, R. Chem. Phys. Lett. 1989, 156, 472. doi: 10.1016/S0009-2614(89)87314-2

    42. [42]

      Peterson, A. A.; Abild-Pedersen, F.; Studt, F.; Rossmeisl, J.; Nørskov, J. K. Energy Environ. Sci. 2010, 3, 1311. doi: 10.1039/C0EE00071J

    43. [43]

      Yoo, J. S.; Christensen, R.; Vegge, T.; Nørskov, J. K.; Studt, F. ChemSusChem 2016, 9, 358. doi: 10.1002/cssc.201501197

    44. [44]

      Lim, H.-K.; Shin, H.; Goddard, W. A.; Hwang, Y. J.; Min, B. K.; Kim, H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 11355. doi: 10.1021/ja503782w

    45. [45]

      Cheng, T.; Xiao, H.; Goddard, W. A. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 13802. doi: 10.1021/jacs.6b08534

    46. [46]

      Gao, S.; Lin, Y.; Jiao, X.; Sun, Y.; Luo, Q.; Zhang, W.; Li, D.; Yang, J.; Xie, Y. Nature 2016, 529, 68. doi: 10.1038/nature16455

    47. [47]

      Jia, L.; Yang, H.; Deng, J.; Chen, J.; Zhou, Y.; Ding, P.; Li, L.; Han, N.; Li, Y. Chin. J. Chem. 2019, 37, 497. doi: 10.1002/cjoc.201900010

    48. [48]

      Schouten, K. J. P.; Kwon, Y.; van der Ham, C. J. M.; Qin, Z.; Koper, M. T. M. Chem. Sci. 2011, 2, 1902. doi: 10.1039/C1SC00277E

    49. [49]

      Peterson, A. A.; Nørskov, J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2012, 3, 251. doi: 10.1021/jz201461p

    50. [50]

      Roberts, F. S.; Kuhl, K. P.; Nilsson, A. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 5179. doi: 10.1002/anie.201412214

    51. [51]

      Cheng, T.; Xiao, H.; Goddard, W. A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017, 114, 1795. doi: 10.1073/pnas.1612106114

    52. [52]

      Wang, L.; Nitopi, S. A.; Bertheussen, E.; Orazov, M.; Morales-Guio, C. G.; Liu, X.; Higgins, D. C.; Chan, K.; Nørskov, J. K.; Hahn, C.; et al. ACS Catal. 2018, 8, 7445. doi: 10.1021/acscatal.8b01200

    53. [53]

      Montoya, J. H.; Shi, C.; Chan, K.; Nørskov, J. K. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 2032. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b00722

    54. [54]

      Garza, A. J.; Bell, A. T.; Head-Gordon, M. ACS Catal. 2018, 8, 1490. doi: 10.1021/acscatal.7b03477

    55. [55]

      Ma, W.; Xie, S.; Liu, T.; Fan, Q.; Ye, J.; Sun, F.; Jiang, Z.; Zhang, Q.; Cheng, J.; Wang, Y. Nat. Catal. 2020, 3, 478. doi: 10.1038/s41929-020-0450-0

    56. [56]

      Luc, W.; Fu, X.; Shi, J.; Lv, J.-J.; Jouny, M.; Ko, B. H.; Xu, Y.; Tu, Q.; Hu, X.; Wu, J.; et al. Nat. Catal. 2019, 2, 423. doi: 10.1038/s41929-019-0269-8

    57. [57]

      Kuhl, K. P.; Hatsukade, T.; Cave, E. R.; Abram, D. N.; Kibsgaard, J.; Jaramillo, T. F. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 14107. doi: 10.1021/ja505791r

    58. [58]

      Pokharel, U. R.; Fronczek, F. R.; Maverick, A. W. Nat. Commun 2014, 5, 5883. doi: 10.1038/ncomms6883

    59. [59]

      Francke, R.; Schille, B.; Roemelt, M. Chem. Rev. 2018, 118, 4631. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00459

    60. [60]

      Dalle, K. E.; Warnan, J.; Leung, J. J.; Reuillard, B.; Karmel, I. S.; Reisner, E. Chem. Rev. 2019, 119, 2752. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00392

    61. [61]

      Handoko, A. D.; Wei, F.; Jenndy; Yeo, B. S.; Seh, Z. W. Nat. Catal. 2018, 1, 922. doi: 10.1038/s41929-018-0182-6

    62. [62]

      Lum, Y.; Ager, J. W. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 551. doi: 10.1002/anie.201710590

    63. [63]

      Lum, Y.; Cheng, T.; Goddard, W. A.; Ager, J. W. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 9337. doi: 10.1021/jacs.8b03986

    64. [64]

      Favaro, M.; Xiao, H.; Cheng, T.; Goddard, W. A.; Yano, J.; Crumlin, E. J. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2017, 114, 6706. doi: 10.1073/pnas.1701405114

    65. [65]

      Eilert, A.; Roberts, F. S.; Friebel, D.; Nilsson, A. J. Phys. Chem. Lett. 2016, 7, 1466. doi: 10.1021/acs.jpclett.6b00367

    66. [66]

      Dunwell, M.; Yang, X.; Setzler, B. P.; Anibal, J.; Yan, Y.; Xu, B. ACS Catal. 2018, 8, 3999. doi: 10.1021/acscatal.8b01032

    67. [67]

      Pander, J. E.; Baruch, M. F.; Bocarsly, A. B. ACS Catal. 2016, 6, 7824. doi: 10.1021/acscatal.6b01879

    68. [68]

      Baruch, M. F.; Pander, J. E.; White, J. L.; Bocarsly, A. B. ACS Catal. 2015, 5, 3148. doi: 10.1021/acscatal.5b00402

    69. [69]

      Figueiredo, M. C.; Ledezma-Yanez, I.; Koper, M. T. M. ACS Catal. 2016, 6, 2382. doi: 10.1021/acscatal.5b02543

    70. [70]

      Pérez-Gallent, E.; Figueiredo, M. C.; Calle-Vallejo, F.; Koper, M. T. M. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 3621. doi: 10.1002/anie.201700580

    71. [71]

      Chernyshova, I. V.; Somasundaran, P.; Ponnurangam, S. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2018, 115, E9261. doi: 10.1073/pnas.1802256115

    72. [72]

      Sun, K.; Cheng, T.; Wu, L.; Hu, Y.; Zhou, J.; Maclennan, A.; Jiang, Z.; Gao, Y.; Goddard, W. A.; Wang, Z. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 15608. doi: 10.1021/jacs.7b09251

    73. [73]

      Feng, X.; Jiang, K.; Fan, S.; Kanan, M. W. ACS Cent. Sci. 2016, 2, 169. doi: 10.1021/acscentsci.6b00022

    74. [74]

      Wang, Z.; Yang, G.; Zhang, Z.; Jin, M.; Yin, Y. ACS Nano 2016, 10, 4559. doi: 10.1021/acsnano.6b00602

    75. [75]

      Reske, R.; Mistry, H.; Behafarid, F.; Roldan Cuenya, B.; Strasser, P. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 6978. doi: 10.1021/ja500328k

    76. [76]

      Gao, D.; Scholten, F.; Roldan Cuenya, B. ACS Catal. 2017, 7, 5112. doi: 10.1021/acscatal.7b01416

    77. [77]

      Rosen, B. A.; Salehi-Khojin, A.; Thorson, M. R.; Zhu, W.; Whipple, D. T.; Kenis, P. J. A.; Masel, R. I. Science 2011, 334, 643. doi: 10.1126/science.1209786

    78. [78]

      Cheng, T.; Fortunelli, A.; Goddard, W. A. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2019, 116, 7718. doi: 10.1073/pnas.1821709116

    79. [79]

      Jouny, M.; Lv, J.-J.; Cheng, T.; Ko, B. H.; Zhu, J.-J.; Goddard, W. A.; Jiao, F. Nat. Chem. 2019, 11, 846. doi: 10.1038/s41557-019-0312-z

    80. [80]

      Feng, Y.; Yang, H.; Zhang, Y.; Huang, X.; Li, L.; Cheng, T.; Shao, Q. Nano Lett. 2020, 11, 8282. doi: 10.1021/acs.nanolett.0c03400

    81. [81]

      Ma, X.; Li, Z.; Achenie, L. E. K.; Xin, H. J. Phys. Chem. Lett. 2015, 6, 3528. doi: 10.1021/acs.jpclett.5b01660

    82. [82]

      Tran, K.; Ulissi, Z. W. Nat. Catal. 2018, 1, 696. doi: 10.1038/s41929-018-0142-1

    83. [83]

      Zhong, M.; Tran, K.; Min, Y.; Wang, C.; Wang, Z.; Dinh, C.-T.; De Luna, P.; Yu, Z.; Rasouli, A. S.; Brodersen, P.; et al. Nature 2020, 581, 178. doi: 10.1038/s41586-020-2242-8

    84. [84]

      Ulissi, Z. W.; Tang, M. T.; Xiao, J.; Liu, X.; Torelli, D. A.; Karamad, M.; Cummins, K.; Hahn, C.; Lewis, N. S.; Jaramillo, T. F.; et al. ACS Catal. 2017, 7, 6600. doi: 10.1021/acscatal.7b01648

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  79
  • 文章访问数:  2595
  • HTML全文浏览量:  1155
文章相关
  • 发布日期:  2021-05-15
  • 收稿日期:  2020-10-19
  • 接受日期:  2020-11-30
  • 修回日期:  2020-11-10
  • 网络出版日期:  2020-12-10
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章