水分子直接參與眾多重要的電催化反應，但對處于固液兩相界面的水分子在電催化反應過程中的結構變化與作用機制研究一直是電化學領域的難點。近日，廈門大學化學化工學院李劍鋒教授課題組與北京大學深圳研究生院潘鋒教授團隊合作，利用電化學原位拉曼光譜技術揭示了界面水分子結構，解開了界面水分子結構如何調控電催化反應這一科研難題，為提升電催化反應速率、進一步指導綠色制氫提供了一種新的策略。這一研究成果于12月2日刊登于《自然》雜志。
研究團隊利用原位表面增強拉曼光譜技術，在電催化析氫反應過程中，對鈀單晶電極/溶液界面水分子的構型及其動態(tài)變化過程進行實時監(jiān)測。研究人員發(fā)現，電極/溶液界面除了已知的含有氫鍵的水分子之外，界面上還有一類與陽離子鍵合的水分子。后者在陽離子和負電極電勢協(xié)同作用下，無序的水分子排布成更為有序的特殊結構。這種結構可以加速電極與水分子間的電荷轉移，進而極大提升電催化反應析氫的速率，為指導綠色制氫提供新的理論途徑。
研究顯示，這類界面水分子比氫鍵水分子更加接近電極表面，可以提高其和電極表面間的電荷轉移效率，極大提升電催化析氫反應速率。提高陽離子的濃度和價態(tài)會進一步增加界面區(qū)有序水分子的含量，進一步提高電催化析氫反應速率。
研究還發(fā)現單晶電極的晶面結構和電子結構都將影響陽離子鍵合水分子的含量和電催化析氫反應速率，證實了陽離子鍵合水分子加速電催化析氫反應速率具有普適性。該研究從單晶模型體系出發(fā)，深入認識界面水分子結構對電催化反應過程的調控機制，解決了困擾電化學領域長期存在的難題。
