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

项目名称： 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

项目编号： No.21303048

项目类型： 青年科学基金项目

立项/批准年度： 2014

项目学科： 数理科学和化学

项目作者： 欧利辉

作者单位： 湖南文理学院

项目金额： 25万元

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。

中文关键词： CO2还原机理；Cu单晶表面；Cu基合金；电子结构；过电势

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 signific

英文关键词： CO2 Reduction Mechanism；Cu Single-Crystal Surface；Cu-based Alloy；Electronic Structure；Overpotential