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廈門大學團隊揭示界面水分子結構 為綠色制氫提供新途徑
作者:官方
來源:科技日報
所屬欄目:科技創新
發布時間:2021-12-03 09:55
[ 導讀 ]水分子直接參與許多重要的電催化反應，但在電催化反應過程中，水分子固液界面的結構變化和機理難以研究。
水分子直接參與許多重要的電催化反應，但在電催化反應過程中，水分子固液界面的結構變化和機理難以研究。最近，北京大學深圳研究生院李劍峰教授和潘峰教授利用電化學原位拉曼光譜揭示了界面水的亞結構，解決了界面水亞結構如何調控電催化反應的科學問題。為提高電催化反應速率，指導綠色制氫提供了新的策略。研究結果發表在12月2日的《自然》雜志上。
采用原位表面增強拉曼光譜(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型和動態變化進行了監測。研究人員發現，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合。在后者中，在正負電極電位的協同作用下，無序的水分子被排列成一種更加有序的特殊結構。該結構可以加速電極與水分子之間的電荷轉移，從而大大提高電催化析氫速率，為指導綠色制氫提供了新的理論途徑。
結果表明，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移效率，大大提高了電催化析氫反應速率。增加陽離子的濃度和價態將進一步增加界面區有序水分子的含量，進一步提高電催化析氫反應的速率。
研究還發現，單晶電極的晶面結構和電子結構會影響陽離子鍵合水分子的含量和電催化析氫反應的速率，證實了陽離子鍵合水分子的普遍性，加速了電催化析氫反應的速度。基于單晶模型系統，深入了解了界面水子結構對電催化反應過程的調控機理，解決了電化學領域長期存在的問題。
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