양이온 유도 계면 소수성 미세 환경이 전기 화학적 CO2 환원에서 C–C 결합을 촉진한다

전기 화학적 이산화탄소 환원 반응(CO2RR)은 C2 제품을 향한 유망한 청정 에너지 경제의 방법이다. 특히 계면 물과 양이온 유형의 전기 이중층(EDL) 구조를 조절하는 것은 C–C 결합을 촉진하기 위한 유용한 전략이지만, 원자 수준의 이해는 실험적 관찰에 비해 크게 뒤쳐져 있다. 여기에서는 ab initio 분자 역학(AIMD) 시뮬레이션을 사용하여 Cu(100) 전극/전해질 계면에서 계면 물과 알칼리 금속 양이온의 결합 효과를 조사한다. 우리는 수소 결합으로 나타나는 물-흡착제 안정화 효과와 C–C 결합 자유 에너지의 완화 간의 선형 상관관계를 관찰한다. 더 작은 양이온(K+ vs Li+)에 비해 더 큰 양이온의 역할은 탈용매화 과정을 통해 계면에 접근하고 *CO+*CO 부분과 조정하여 계면 물의 수소 결합 안정화 효과를 부분적으로 대체하는 능력에 있다. 이는 C–C 결합을 위한 에너지 장벽의 경미한 감소로 이어지지만, 큰 이온 반지름으로 인해 수소 결합이 부족한 소수성 환경을 조성하여 주변 계면 물의 수소가 흡착된 *CO의 산소에 접근하는 것을 방해한다. 이는 *CO의 C1 경로로의 추가 수소화를 교묘하게 회피하며, 더 큰 양이온이 C–C 결합을 촉진하는 주요 요인으로 작용한다. 이 연구는 CO2RR에서 효율적인 C–C 결합을 위해 전해질과 EDL의 최적화를 용이하게 할 수 있는 양이온-물-흡착제 상호작용의 포괄적인 원자 메커니즘을 밝혀낸다.