密度泛函理论用于Cu单晶和合金催化剂表面CO2电化学还原反应的研究

批准号:
21303048
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
25.0 万元
负责人:
欧利辉
依托单位:
学科分类:
B0205.电化学
结题年份:
2016
批准年份:
2013
项目状态:
已结题
项目参与者:
陈远道、张松柏、梁巍、陈俊翔
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中文摘要
二氧化碳(CO2)电化学还原生成甲烷等小分子有机化合物对解决人类当前所面临的环境和能源问题至关重要。Cu 是过渡金属中实现这一转换较为优异的催化剂之一。目前关于Cu电极表面CO2电化学还原精确的反应机理仍然没有确定,这对反应的调控及催化剂的设计极为不利。本项目拟采用第一性原理,使用密度泛函理论(DFT)方法进行结构优化、反应自由能计算和最小能量路径分析,研究CO2在Cu各种单晶电极表面的化学还原和电化学还原过程,计算不同电极电势下CO2电化学还原各步骤的反应自由能和活化能,从而揭示CO2在Cu单晶电极表面形成碳氢化合物可能的最佳反应路径及反应的难易程度,以实现对CO2还原机理的系统理解。在此基础上,研究合金化对CO2电化学还原路径的影响。项目的研究成果对于深入认识整个CO2电化学还原过程的选择性、表面结构敏感性及催化剂尺寸效应等具有重要意义,为相关催化剂的设计提供科学依据。
英文摘要
Carbon dioxide (CO2) electrochemical reduction to form small molecule organic compound such as methane is extremely important for solving the environmental and energy issues that humanity facing. Cu is one of the comparatively excellent catalysts for achieving this conversion in the transition metals. Currently, the precise reaction mechanism is still not been determined, which is extremely unfavorable for control of the reaction and design of the catalysts. Therefore, CO2 chemical and electrochemical reduction processes on the Cu single crystal surfaces will be studied using density functional theory (DFT) method in the first principle on the geometry structural optimization, the reaction free energies calculations and the minimum energy paths analysis, and the reaction free energies and the activation barriers of each CO2 electrochemical reduction step will be calculated under different electrode potential. Accordingly, the possible optimized reaction paths of CO2 reduction to form hydrocarbons on the Cu single crystal electrode surfaces and degree of difficulty of the reaction can be revealed, and systematical understanding of CO2 reduction mechanism can be achieved. On this basis, the effect of alloying on CO2 electrochemical reduction paths is studied. The research results of the project have great significance for understanding in depth the selectivity of CO2 electrochemical reduction process, the sensitivity of surface structure and size effect of catalysts. Simultaneously, the research results can provide a scientific basis for designing the catalysts of CO2 electrochemical reduction.
二氧化碳(CO2)电化学还原生成碳氢化合物对解决人类当前所面临的环境和能源问题至关重要。本项目以碳氢化合物CH4、C2H4和CH3OH等产物的形成为核心,将CO2电化学还原路径与电极电势相关联,揭示了电极电势和Cu表面原子结构影响CO2还原反应路径、反应活性及选择性的微观机制,明确了晶面对还原路径和产物的选择性。在此基础上,探寻了Cu基合金催化剂设计的研究思路。本项目的研究解释了为什么实验中Cu(111)表面更有利于C1物种的形成,而Cu(100)表面仅仅能观察到C2物种。同时,本项目的研究也解释了实验上为什么Cu(111)表面在气相环境下能形成CH3OH和CH4,在电化学环境下仅仅能观察到CH4产物。依据本项目的研究方法提出的Cu单晶电极表面碳氢化合物的形成机理与当前的实验结果是最相符的。此外,本项目的理论研究结果首次确定了CO2的电化学还原的初始阶段包括了CO2的阴离子自由基的形成。Cu单晶电极表面CO2还原机理的研究将最终导致更有催化活性的和选择性的催化剂的设计。同时,本项目的研究表明Cu(111)表面过渡金属Ni,Pd和Pt的掺杂能够明显地促进CO2还原形成碳氢化合物,影响还原路径的选择性并且吸附的碱金属Na和Cs能促进CO2的活化。过渡金属掺杂的Cu(111)表面增强的电催化活性也许是由于降低的过电势以及Cu与掺杂的过渡金属之间适中的电子相互作用。基于此,本项目提出了两种可能的描述符用来衡量Cu基合金电催化剂的电催化活性。明确合金催化对CO2还原路径的影响,可获得调控各种反应路径的思路,为高活性、高稳定性CO2电化学还原反应催化剂的设计提供科学依据。通过本项目电子结构的研究确定了Cu单晶电极和Cu基合金电极表面与CO2分子之间的电荷迁移和轨道相互作用等,揭示合金元素对Cu表面电子结构的影响。本项目通过在热力学、动力学和电化学等物理化学各个分支学科互相协作以及各种现有计算模拟技术手段的有机融合,可为在现有条件下,如何发挥各自学科的优势为反应机理的研究以及催化剂的设计和反应的调控提供一个借鉴。
期刊论文列表
专著列表
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专利列表
New reduction mechanism of CO dimer by hydrogenation to C2H4 on a Cu(100) surface: theoretical insight into the kinetics of the elementary steps
CO 二聚体在 Cu(100) 表面氢化成 C2H4 的新还原机制:基本步骤动力学的理论见解
DOI:10.1039/c5ra15905a
发表时间:2015-01-01
期刊:RSC ADVANCES
影响因子:3.9
作者:Ou, Lihui;Long, Wenqi;Jin, Junling
通讯作者:Jin, Junling
Chemical and electrochemical hydrogenation of CO2 to hydrocarbons on Cu single crystal surfaces: insights into the mechanism and selectivity from DFT calculations
CO2 在 Cu 单晶表面化学和电化学氢化为碳氢化合物:通过 DFT 计算深入了解机理和选择性
DOI:10.1039/c5ra09294a
发表时间:2015-06
期刊:RSC Advances
影响因子:3.9
作者:Lihui Ou
通讯作者:Lihui Ou
The origin of enhanced electrocatalytic activity of Pt-M (M = Fe, Co, Ni, Cu, and W) alloys in PEM fuel cell cathodes: A DFT computational study
Pt-M(M = Fe、Co、Ni、Cu 和 W)合金在 PEM 燃料电池阴极中增强电催化活性的起源:DFT 计算研究
DOI:10.1016/j.comptc.2014.09.017
发表时间:2014-11-15
期刊:COMPUTATIONAL AND THEORETICAL CHEMISTRY
影响因子:2.8
作者:Ou, Lihui
通讯作者:Ou, Lihui
Theoretical insights into the alkaline metal M (M = Na and Cs) promotion mechanism for CO2 activation on the Cu(111) surface
碱金属 M(M = Na 和 Cs)促进 Cu(111) 表面 CO2 活化机制的理论见解
DOI:10.1039/c6ra10321a
发表时间:2016-07
期刊:Rsc Advances
影响因子:3.9
作者:Ou, Lihui;Chen, Yu;ao;Jin, Junling
通讯作者:Jin, Junling
Theoretical insight into effect of doping of transition metal M (M = Ni, Pd and Pt) on CO2 reduction pathways on Cu(111) and understanding of origin of electrocatalytic activity
过渡金属 M(M = Ni、Pd 和 Pt)掺杂对 Cu(111) 上 CO2 还原途径影响的理论见解以及对电催化活性起源的理解
DOI:10.1039/c6ra28815d
发表时间:2017-02
期刊:RSC Advances
影响因子:--
作者:Lihui Ou Wenqi Long Jianxing Huang Yu;ao Chen
通讯作者:ao Chen
Cu/电解质溶液界面CO2电催化还原反应电解质效应的理论模拟研究
- 批准号:2025JJ50059
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2025
- 负责人:欧利辉
- 依托单位:
CH3OH电催化氧化机理的第一性原理研究:从Pt单晶表面反应到合金催化
- 批准号:2018JJ2273
- 项目类别:省市级项目
- 资助金额:0.0万元
- 批准年份:2018
- 负责人:欧利辉
- 依托单位:
国内基金
海外基金
