Part 1

成果简介
 

2021年12月1日，Nature刊发题为“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation ofinterfacial water”（《原位拉曼光谱揭示界面水分子结构和其解离过程》）的研究论文。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课题组合作，利用原位表面增强拉曼光谱技术，共同揭示了钯单晶电极界面水分子构型及其在析氢反应中的核心机制，为提升电催化反应速率提供了一种新的策略，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。

 

Part 2

背景介绍
 

电催化可加速由固液界面上的电势驱动的化学反应，这可能是全球经济可持续发展的关键因素，因为它可以将来自可再生能源的电能直接转化为绿色燃料，例如氢气。其中水分子直接参与到众多重要的电催化反应之中，了解水在固-液界面的结构和动态过程是表面科学、能源科学和催化领域的一个极其重要的课题。然而，处于电极/溶液界面的水分子，作为反应过程的重要研究对象，数目远远低于体相水分子，而电极电势的实时变化又将极大影响真实的反应进程，必须在电场控制的条件下进行原位研究才能如实获得相关信息。关于界面水分子在电催化反应过程中的结构变化与作用机制的研究可谓困难重重。

 

Part 3

图文导读
 

厦门大学李剑锋教授课题组与北京大学深圳研究院潘锋教授课题组利用使用电化学、原位拉曼光谱和计算技术，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。

 

图1. 探测Pd(hkl)表面上的界面水

 

图2. 界面水的拉曼光谱

 

作者发现，除了已知的含有氢键的水分子，界面上还有一类与阳离子键合的水分子。直接光谱证据表明界面水由氢键和水合Na⁺离子水组成。在HER电位下，由于偏置电位和Na⁺离子作用，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。本文还探讨了电解质和电极表面对界面水的影响，发现会影响水的结构。因此，通过局部阳离子调整策略，使有序界面水能够提高电催化反应速率。

 

图3. 水分解

 

图4. 界面水的HER曲线和拉曼光谱

 

仪器推荐
 

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课题组介绍

李剑锋

潘锋

北京大学教授，博士生导师，北京大学讲席教授、北京大学深圳研究生院新材料学院创院院长。潘锋教授已发表包括2篇《自然.纳米技术》在内的SCI代表性论文250余篇，其中影响因子10及以上和自然指数论文120余篇，3项国际发明专利和近80项国内专利申请，授权发明专利27项。潘锋教授目前聚焦探索基于图论的结构化学的新范式和新能源材料基因科学与工程，包括探索材料的结构“基因”、材料高通量的计算、合成与检测及数据库等“材料基因组”工程及用于加速“清洁能源及关键材料研发”，包括新型太阳能电池、热电发电、储能和动力电池及关键材料的跨学科的基础研究和应用，具有十多年在国际大公司从原创基础研究到创新产品产业化的经历 。荣誉及奖励：2015-18连续四年入选爱思唯尔中国高被引学者；2016年国际电动车电池协会（ABAA10）杰出研究奖；2018年获得美国电化学协会“ECS电池领域科技创新奖”。

 

Part 4

文献信息
 

Wang, YH., Zheng, S., Yang, WM. et al. In situ Raman spectroscopy reveals the structure anddissociation of interfacial water. Nature 600, 81–85 (2021). 




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