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水分子直接參與許多重要的電催化反應(yīng)，但在電催化反應(yīng)過程中，水分子固液界面的結(jié)構(gòu)變化和機(jī)理難以研究。最近，北京大學(xué)深圳研究生院李劍峰教授和潘峰教授利用電化學(xué)原位拉曼光譜揭示了界面水的亞結(jié)構(gòu)，解決了界面水亞結(jié)構(gòu)如何調(diào)控電催化反應(yīng)的科學(xué)問題。為提高電催化反應(yīng)速率，指導(dǎo)綠色制氫提供了新的策略。研究結(jié)果發(fā)表在12月2日的《自然》雜志上。
采用原位表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface-enhanced Raman光譜)對電催化析氫過程中pd單晶電極/溶液界面上水分子的構(gòu)型和動態(tài)變化進(jìn)行了監(jiān)測。研究人員發(fā)現(xiàn)，除了已知含有氫鍵的水分子外，還有一類水分子與電極/溶液界面上的陽離子結(jié)合。在后者中，在正負(fù)電極電位的協(xié)同作用下，無序的水分子被排列成一種更加有序的特殊結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可以加速電極與水分子之間的電荷轉(zhuǎn)移，從而大大提高電催化析氫速率，為指導(dǎo)綠色制氫提供了新的理論途徑。
結(jié)果表明，界面水分子比氫鍵水分子更靠近電極表面，提高了界面水分子與電極表面之間的電荷轉(zhuǎn)移效率，大大提高了電催化析氫反應(yīng)速率。增加陽離子的濃度和價(jià)態(tài)將進(jìn)一步增加界面區(qū)有序水分子的含量，進(jìn)一步提高電催化析氫反應(yīng)的速率。
研究還發(fā)現(xiàn)，單晶電極的晶面結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)會影響陽離子鍵合水分子的含量和電催化析氫反應(yīng)的速率，證實(shí)了陽離子鍵合水分子的普遍性，加速了電催化析氫反應(yīng)的速度。基于單晶模型系統(tǒng)，深入了解了界面水子結(jié)構(gòu)對電催化反應(yīng)過程的調(diào)控機(jī)理，解決了電化學(xué)領(lǐng)域長期存在的問題。
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