Dynamic Ionization Equilibrium-Induced “Oxygen Exchange” in CO Electroreduction

催化作用 电离 化学 氧气 电催化剂 无机化学 材料科学 电化学 物理化学 电极 有机化学 离子
作者
Haona Zhang,Yu Cui,Chunjin Ren,Qiang Li,Chongyi Ling,Jinlan Wang
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:14 (14): 10737-10745 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c01773
摘要

The oxygen source of oxygenates is the fundamental issue for CO2/CO electroreduction, which was firmly believed to originate from the gas feed (Ogas) for a long time. However, recent experiments have confirmed that most O atoms of the generated alcohols via CO reduction arise from the solvent (Oaq), indicating the existence of a rather mysterious "oxygen exchange" process. In this work, we solved this mechanistic puzzle using comprehensive computations. Our results revealed that high CO pressure enables COgas oxidation by surface *OaqH, which opens a pathway for oxygenate production. The generated *COgasOaqH can react with another *CO to form *COCOgasOaqH, which leads to the formation of a series of carboxyl-containing intermediates (RCOgasOaqH) in subsequent steps. Due to the dynamic ionization equilibrium, H+ moves rapidly between Ogas and Oaq via reversible "inner" proton transfer (*RCOgasOaqH ⇌ *R-COgasOaq– + H+ ⇌ *RCOaqOgasH). The oxygen exchange completes when *RCOaq forms via the dehydroxylation of a certain *RCOaqOgasH. The completed reaction pathways were further explored by using COgas reduction into C2H5OaqH as an example, which explains related experiments. Therefore, these results refresh the insights into CO2/CO electroreduction and give specific guidelines for the optimization of catalytic performance.
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