[Nature] 我室李剑锋教授课题组揭示界面水分子结构

发布日期:2021年12月02日   浏览次数:

2021122日,我室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,在Nature期刊上发表文章In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water,通过电化学原位拉曼光谱技术揭示界面水分子结构。

                                             

水分子在各个学科领域都扮演着至关重要的角色,人类对其结构的探索从未停止。电极/溶液界面水分子的物理化学特性是理解和发展表面科学、催化和能源科学的重要基础。更重要的是,水分子直接参与众多重要的电催化反应,如氢析出(HER)、氧析出(OER)、二氧化碳还原(CO2RR)、氧还原(ORR)、氮还原(NRR)等。这些处于固液两相界面的水,其数目远低于体相水分子。此外,电催化反应过程强烈依赖于电极电势,必须在电场控制的原位条件下研究才能如实获得真实反应过程的信息。因此,在原位条件下研究界面(特别是原子级平整的模型单晶表面)水分子的结构及其在电催化反应中的构效关系,一直是电化学领域的热点和难点。

该工作利用课题组发明的电化学原位SHINERS 技术(Nature, 2010, 464, 392-395),在析氢反应(HER)过程,原位监测钯单晶电极/溶液界面水分子的构型及其动态变化过程。研究发现,电极/溶液界面除了已知的含有氢键的水分子之外,还有一类与阳离子键合的水分子。后者在在阳离子和负电极电势协同作用下,更为有效地排布成有序的结构。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HER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HER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HER反应速率,证实了阳离子键合水分子加速HER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的长期难题,为提升电催化反应速率提供了一种新的策略。

该研究工作由李剑锋教授和北京大学深圳研究生院的潘锋教授共同指导完成;田中群教授、Gary Attard教授、杨志林教授、董金超副教授参与了工作的讨论。我院已毕业博士王耀辉和北京大学深圳研究生院郑世胜为论文的共同一作,周如玉、何权烽、Petar Radjenovic参与了实验和论文修改工作。北京大学深圳研究生院李舜宁、郑家新参与了分子动力学模拟工作。电磁场模拟由物理学院博士生杨伟民完成。本研究得到国家重点研发计划项目、国家自然科学基金的资助和支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41586-021-04068-z