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北大深研院，重磅JACS！

來源：時間：2024-03-15 11:16:45 瀏覽：2053次

第一作者：楊欣哲

通訊作者：潘鋒教授、鄭世勝博士

通訊單位：北京大學深圳研究生院

DOI: 10.1021/jacs.3c13602.

研究背景

電化學CO₂還原反應（CO₂RR）是閉合碳循環(huán)和儲存可再生能源發(fā)電的有效方法，其中C₂產(chǎn)品因其高經(jīng)濟價值受到關注。銅（Cu）是唯一能將CO₂電化學還原為多碳產(chǎn)物的過渡金屬，但產(chǎn)物選擇性較低。為提高Cu上C-C耦合生成C₂產(chǎn)物的效率，研究者通過摻雜、合金化和形貌優(yōu)化等手段進行催化劑的化學改性。近年來，溶液側管理因易操作和普遍適用于不同電極材料而備受關注，特別是界面水分子在電化學CO₂還原中的多樣作用，對C₂選擇性至關重要。調節(jié)雙電層（EDL）的結構，特別是界面水和陽離子類型，是促進C-C耦合的有效策略，但原子層面的機理分析遠遠落后于實驗觀察。基于此，北京大學深圳研究生院潘鋒教授課題組使用ab initio分子動力學 (AIMD) 模擬，研究了界面水和堿金屬陽離子對Cu(100)電極/電解質界面C-C耦合的綜合影響。

文章要點

1、通過AIMD觀察到界面水對含碳中間體的氫鍵穩(wěn)定作用與相應的C-C耦合自由能減輕之間存在線性相關性。較大的陽離子可以與*OCCO配位，部分取代水的氫鍵穩(wěn)定作用。較大的陽離子與*CO + *CO配位后，可以排斥周圍的水分子，從而形成局部疏水環(huán)境，而*CO + *CO構型缺乏氫鍵。這有效地降低了*CO向C1途徑質子化的風險，這是較大陽離子促進C-C偶聯(lián)的主要因素。

2、在原子水平上綜合考慮陽離子-水-吸附物相互作用，作者提出了一種理解陽離子促進效應的新機制，為調整雙電層結構的陽離子提供有用的見解，有助于提高CO₂RR對多碳產(chǎn)品的活性和選擇性。

圖文展示

圖1. 真空和溶劑環(huán)境中的C-C耦合

圖2. C-C偶聯(lián)反應中的溶劑化效應

圖3. 陽離子對CO二聚步驟的影響

圖4. Li⁺+e^-和K⁺+e^-模型中界面水*CO質子化的統(tǒng)計分析

圖5.界面水分子和陽離子組合作用闡明了陽離子依賴性C₂選擇

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