Mechanistic Insights into Water-Mediated CO2 Electrochemical Reduction Reactions on Cu@C2N Catalysts: A Theoretical Study

Hanyu Xu Xuedan Song Qing Zhang Chang Yu Jieshan Qiu

Citation:  Hanyu Xu, Xuedan Song, Qing Zhang, Chang Yu, Jieshan Qiu. Mechanistic Insights into Water-Mediated CO2 Electrochemical Reduction Reactions on Cu@C2N Catalysts: A Theoretical Study[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(1): 230304. doi: 10.3866/PKU.WHXB202303040 shu

理论研究Cu@C2N催化剂表面上水分子对电催化CO2还原反应机理的影响

    通讯作者: 宋雪旦, song@dlut.edu.cn
    邱介山, jqiu@dlut.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 22078052

    中央高校基本科研业务费专项资金 DUT22ZD207

摘要: 电催化CO2还原反应(CO2RR)的反应途径涉及多个质子-电子对转移,在水溶剂条件下,质子的来源是水分子,考虑水分子对质子-电子对的转移机制十分必要。本研究提出水辅助氢穿梭模型,与常用的以氢原子作为氢源的直接加氢模型对比,研究水分子在CO2RR中对质子-电子对转移的影响。采用密度泛函理论,系统地研究了铜原子嵌入C2N单层催化剂(Cu@C2N)和石墨烯作为衬底的Cu@C2N/石墨烯复合催化剂(Cu@C2N/G)表面上不同加氢模型的CO2RR反应机理。在水辅助氢穿梭模型中,氢原子与水分子结合形成水合质子,水合质子将自身的氢原子转移到催化剂表面的反应物上形成反应中间体,增强了中间体与催化剂之间的相互作用。此外,在Cu@C2N/G催化剂中,石墨烯将电子转移到表面的Cu@C2N上,提高了催化剂的CO2RR催化活性。进一步,计算了Cu@C2N和Cu@C2N/G催化剂上CO2RR和析氢反应的极限电位,讨论催化剂的活性和选择性。结果表明CO2在低电位下容易生成HCOOH,施加高电位时可以生成CO、CH3OH和CH4并伴随着H2的生成。

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  • 发布日期:  2024-01-15
  • 收稿日期:  2023-03-20
  • 接受日期:  2023-05-08
  • 修回日期:  2023-05-02
  • 网络出版日期:  2023-05-15
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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