电催化中界面水微观结构与作用的理解 | NSR观点
电催化中界面水微观结构与作用的理解 | NSR观点
近日，复旦大学张黎明教授课题组在《国家科学评论》（National Science Review）杂志在线发表了题为“Understanding the interfacial water structure in electrocatalysis”的观点论文。该报道探讨了界面水分子（IWMs）在电催化中的关键作用及影响其动态结构的主要因素。
电催化将可再生电力直接转化为高附加值的化学燃料，为实现碳中和做出巨大贡献。水溶液电催化过程主要发生在双电层（EDL）中，其微观结构决定了整个电化学过程固/液界面的反应动力学。经典双电层模型虽能够解释宏观的实验现象，但对于微观分子结构和分子间相互作用的忽略导致研究人员无法深入理解催化机理。因此，在分子水平上理解EDL和溶剂的作用是至关重要的。
界面水分子（IWMs）在水相电催化反应中参与表面化学反应和传质过程，其聚集特征和相关参数（IWMs的浓度、取向、刚性和EDL中氢键网络的连通性等）均会对表面催化动力学产生极大影响。作者认为，深入理解水分子在固/液界面的结构和动力学可以为解释电化学表面科学的复杂问题提供指导。
作者从以下三个方面概述了近年来调控IWMs结构的关键因素及其在电催化反应中的重要作用，其中包括：（1）跨越EDL垂直于电极表面的强电场能够调节IWMs的取向，破坏界面层的氢键网络，从而使表面水的氢键浓度低于本体水的氢键浓度。（2）EDL含有的溶剂化阳离子能够作为质子供体，与解离的水分子相互作用形成水离子团簇，改变IWMs的结构，从而影响电催化反应速率。（3）表面吸附物种，如吸附的OH基团、有机添加剂和吸附的反应中间体等，均会影响EDL内IWMs的氢键网络结构，从而调节水解离的活性。
图1 水溶液电催化中IWMs的结构及其潜在影响因素
IWMs在水溶液电催化领域展现了至关重要的作用。研究人员通过振动光谱和X射线光谱等技术发现多种潜在因素均会影响IWMs的结构，进而调控电催化反应的活性。由于高信噪比的数据采集和实验光谱的准确归属仍是重大挑战，未来亟需发展表面敏感的原位探测技术和开发自制的特定电化学池，以消除本体水的干扰。同时，还需要发展更先进的分子动力学计算方法，拓宽研究IWMs 的反应体系。总之，IWMs的结构为电催化反应提供了吸附能之外的补充描述符，为高性能催化剂和反应微环境的合理设计开创了新的前景，为未来电催化领域的发展开辟了新的道路。