科学家获得界面水分子结构为绿色制氢提供新途径

09 12月 2021

2021-12-09 07:38

水分子直接参与众多重要的电催化反应，但对处于固液两相界面的水分子在电催化反应过程中的结构变化与作用机制研究一直是电化学领域的难点。近日，厦门大学化学化工学院李剑锋教授课题组与北京大学深圳研究生院潘锋教授团队合作，利用电化学原位拉曼光谱技术揭示了界面水分子结构，解开了界面水分子结构如何调控电催化反应这一科研难题，为提升电催化反应速率、进一步指导绿色制氢提供了一种新的策略。这一研究成果于12月2日刊登于《自然》杂志。

研究团队利用原位表面增强拉曼光谱技术，在电催化析氢反应过程中，对钯单晶电极/溶液界面水分子的构型及其动态变化过程进行实时监测。研究人员发现，电极/溶液界面除了已知的含有氢键的水分子之外，界面上还有一类与阳离子键合的水分子。后者在阳离子和负电极电势协同作用下，无序的水分子排布成更为有序的特殊结构。这种结构可以加速电极与水分子间的电荷转移，进而极大提升电催化反应析氢的速率，为指导绿色制氢提供新的理论途径。

研究显示，这类界面水分子比氢键水分子更加接近电极表面，可以提高其和电极表面间的电荷转移效率，极大提升电催化析氢反应速率。提高阳离子的浓度和价态会进一步增加界面区有序水分子的含量，进一步提高电催化析氢反应速率。

研究还发现单晶电极的晶面结构和电子结构都将影响阳离子键合水分子的含量和电催化析氢反应速率，证实了阳离子键合水分子加速电催化析氢反应速率具有普适性。该研究从单晶模型体系出发，深入认识界面水分子结构对电催化反应过程的调控机制，解决了困扰电化学领域长期存在的难题。