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Descriptors and Thermodynamic Limitations of Electrocatalytic Carbon Dioxide Reduction on Rutile Oxide Surfaces

覆盖层 甲酸 催化作用 氧化物 二氧化碳电化学还原 化学 格式化 电催化剂 甲醇 电化学 氧化还原 无机化学 吉布斯自由能 蒸汽重整 材料科学 一氧化碳 物理化学 制氢 热力学 有机化学 电极 物理
作者
Arghya Bhowmik,Tejs Vegge,Heine Anton Hansen
出处
期刊:Chemsuschem [Wiley]
卷期号:9 (22): 3230-3243 被引量:37
标识
DOI:10.1002/cssc.201600845
摘要

Abstract A detailed understanding of the electrochemical reduction of CO 2 into liquid fuels on rutile metal oxide surfaces is developed by using DFT calculations. We consider oxide overlayer structures on RuO 2 (1 1 0) surfaces as model catalysts to elucidate the trends and limitations in the CO 2 reduction reaction (CO2RR) based on thermodynamic analysis. We aim to specify the requirements for CO2RR catalysts to establish adsorbate scaling relations and use these to derive activity volcanoes. Computational results show that the OH* binding free energy is a good descriptor of the thermodynamic limitations and it defines the left leg of the activity volcano for CO2RR. HCOOH* is a key intermediate for products formed through further reduction, for example, methanediol, methanol, and methane. The surfaces that do not bind HCOOH* are selective towards formic acid (HCOOH) production, but hydrogen evolution limits their suitability. We determine the ideal binding free energy for H* and OH* to facilitate selective CO2RR over H 2 /CO evolution to be Δ G B [H]>0.5 eV and −0.5 eV<Δ G B [OH]<0.1 eV. The Re‐containing overlayers considered in this work display excellent promise for selectivity, although they are active at a highly reducing potential.

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