Understanding Surface-Mediated Electrochemical Reactions: CO2 Reduction and Beyond

塔菲尔方程 过电位 电化学 催化作用 反应机理 电子转移 化学 氧化还原 电催化剂 化学物理 计算化学 电极 无机化学 物理化学 有机化学
作者
Marco Dunwell,Wesley Luc,Yushan Yan,Feng Jiao,Bingjun Xu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (9): 8121-8129 被引量:230
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b02181
摘要

Understanding reaction pathways and mechanisms for electrocatalytic transformation of small molecules (e.g., H2O, CO2, and N2) to value-added chemicals is critical to enabling the rational design of high-performing catalytic systems. Tafel analysis is widely used to gain mechanistic insights, and in some cases, has been used to determine the reaction mechanism. In this Perspective, we discuss the mechanistic insights that can be gained from Tafel analysis and its limitations using the simplest two-electron CO2 reduction reaction to CO on Au and Ag surfaces as an example. By comparing and analyzing existing as well as additional kinetic data, we show that the Tafel slopes obtained on Au and Ag surfaces in the kinetically controlled region (low overpotential) are consistently ∼59 mV dec–1, regardless of whether catalysts are polycrystalline or nanostructured in nature, suggesting that the initial electron transfer (CO2 + e– → CO2–) is unlikely to be the rate-limiting step. In addition, we demonstrate how initial mechanistic assumptions can dictate experimental design, the result of which could in turn bias mechanistic interpretations. Therefore, as informative as Tafel analysis is, independent experimental and computational techniques are necessary to support a proposed mechanism of multielectron electrocatalytic reactions, such as CO2 reduction.
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