In situ spectroelectrochemical probing of CO redox landscape on copper single-crystal surfaces

氧化还原 化学 电化学 反应中间体 同位素标记 密度泛函理论 光化学 催化作用 电催化剂 质子化 二聚体 半反应 无机化学 计算化学 物理化学 电极 有机化学 离子
作者
Feng Shao,Jun Kit Wong,Qi Hang Low,Marcella Iannuzzi,Jingguo Li,Jinggang Lan
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:119 (29) 被引量:25
标识
DOI:10.1073/pnas.2118166119
摘要

Electrochemical reduction of CO (2) to value-added chemicals and fuels is a promising strategy to sustain pressing renewable energy demands and to address climate change issues. Direct observation of reaction intermediates during the CO (2) reduction reaction will contribute to mechanistic understandings and thus promote the design of catalysts with the desired activity, selectivity, and stability. Herein, we combined in situ electrochemical shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy and ab initio molecular dynamics calculations to investigate the CORR process on Cu single-crystal surfaces in various electrolytes. Competing redox pathways and coexistent intermediates of CO adsorption (*CO atop and *CO bridge ), dimerization (protonated dimer *HOCCOH and its dehydrated *CCO), oxidation (*CO 2 − and *CO 3 2− ), and hydrogenation (*CHO), as well as Cu-O ad /Cu-OH ad species at Cu-electrolyte interfaces, were simultaneously identified using in situ spectroscopy and further confirmed with isotope-labeling experiments. With AIMD simulations, we report accurate vibrational frequency assignments of these intermediates based on the calculated vibrational density of states and reveal the corresponding species in the electrochemical CO redox landscape on Cu surfaces. Our findings provide direct insights into key intermediates during the CO (2) RR and offer a full-spectroscopic tool (40–4,000 cm −1 ) for future mechanistic studies.
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