Reduction mechanism of CO2 towards methane on Cu(100) with low water coverage investigated with density-functional theory

Thumbnail Image

Files

master_Lopatenko_Artem_2021.pdf (25.25 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2021-06-14

Department

Major/Subject

Advanced Materials and Photonics

Mcode

ELEC3035

Degree programme

Master’s Programme in Electronics and Nanotechnology (TS2013)

Language

en

Pages

62 + 11

Series

Abstract

Copper is one of the most promising transition metals that electrocatalytically reduces a fraction of CO2 to hydrocarbons in an energy and resource efficient way. However, previous computational studies, mostly conducted with the density-functional theory (DFT), have a lack of consensus regarding the first intermediate, the rate-determining step and the preferred pathway in the CO2 reduction reaction (CO2RR) towards methane on Cu surface. In this study, two fundamental DFT functionals, namely the PBE and the PBEsol are examined in order to enhance mechanistic understanding of CO2RR with single water molecule as part of the Langmuir-Hinshelwood mechanism occurring at Cu(100). Hence, an entire pathway from carbon dioxide to methane and corresponding potential dependent electrochemical analysis is investigated in the framework of this mechanism. The reaction step from *CHO to *CHOH was found as a rate-determining with the free energy barrier of 0.99 eV at 0 V vs. RHE.

Siirtymämetallien joukosta kupariin on kiinnitetty erityistä huomiota, koska sitä voidaan hyödyntää hiilidioksidien pelkistyksessä sähkökatalyyttisen reaktion kautta, jossa hiilidioksidia muunnetaan hiilivedyiksi energia- ja resurssitehokkaasti. Tiheysfunktionaaliteoriaan (density-functional theory, DFT) pohjautuvat aikaisemmat tutkimukset ovat olleet ristiriitaisia ensimmäisen välituotteen, nopeutta rajoittavan reaktion sekä hiilidioksidin pelkistysreaktion kulun suhteen kuparin pinnalla. Tässä tutkimuksessa tarkasteltiin kahta DFT:n funktionaalia nimittäin PBE ja PBEsol ymmärryksen syventämiseksi kuparin pinnalla (Cu(100)) vesimolekyylin välityksellä tapahtuvasta CO2:n metanaatiosta osana Langmuir-Hinshelwood mekanismia. Täten koko reaktioprosessi hiilidioksidista metaaniin ja sitä vastaava jänniteriippuvainen sähkökemiallinen analyysi on tutkittu tämän mekanismin puitteissa. Nopeutta rajoittava reaktio on *CHO ja *CHOH välillä aktivoitumisenergialla 0.99 eV kun palautuvan vetyelektrodin potentiaali (reversible hydrogen electrode, RHE) on 0 V.

Description

Supervisor

Tittonen, Ilkka

Thesis advisor

Hällström, Lassi

Keywords

CO2 reduction reaction, DFT, methane formation, low water coverage, PBE

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202106207526

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC