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燃爆！厦大/北大，再发《Nature》！世界级成果！

2021-12-13 15:23:24 0 1191

研究背景

化石燃料消耗和环境问题，促使人们探索环境友好和可持续的能源，作为绿色的替代品。其中，氢气具有高能量密度和零CO₂排放，被认为是一种优异的绿色能源。近来，电解水制氢反应（HER），是产生高纯度氢气的一种有效方法，引起了越来越多的关注。电催化剂析氢反应，是指通过电化学的方法使用催化剂产生氢气。能源和环境是人类社会可持续发展涉及的最主要问题。全球80%的能量需求来源于化石燃料，这最终必将导致化石燃料的枯竭，而其使用也将导致严重的环境污染。从化石燃料逐步转向利用可持续发展无污染的非化石能源是发展的必然趋势。氢是理想的清洁能源之一也是重要的化工原料，受到世界各国广泛的重视。电解水制氢是实现工业化、廉价制备氢气的重要手段。

HER可以被认为是最简单的电化学反应和研究更复杂的多电子-质子转移反应的基础。尽管它非常简单，但它仍然是一个多步骤的化学反应，包括在电极表面的吸附，还原和脱附三个过程。

HER是一个具有科学意义的电化学反应，因为电极动力学的许多基本定律以及电化学中的许多现代概念，都是通过探索与电子转移诱导的水分解有关的HER机制而发展和验证的。此外，最近报道了阳离子对HER速率的调节。然而，尽管事实上界面水是HER中最重要的角色，但它的结构和组成，以及它在调节HER的潜在依赖性中与阳离子的相互作用，仍然有些模糊，需要进一步更详细的理解。为此，开发了许多现场监测技术，如振动光谱(红外吸收光谱和和频产生光谱)和x光光谱。然而，这些技术通常集中于探测接近零电荷(PZC)电位的界面水。因此，它们缺乏与在单晶表面上以显著的HER过电位反应的界面水分子相关的实际应用，这显然限制了我们对真实电解条件下HER的理解。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种具有单分子水平分辨率的高度表面敏感技术。然而，原子级平坦的单晶表面不能有效地支持用SERS精确检测表面化学形态所需的表面等离子体共振效应。壳隔离纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)技术是为了克服SERS固有的形态限制而发明的，并可用于研究单晶表面上具有极高表面灵敏度的电催化反应。

研究成果

理解水在固液界面的结构和动态过程是表面科学、能源科学和催化中一个极其重要的课题。作为模型催化剂，原子平面单晶电极表现出明确的表面和电场特性，因此可用于阐明原子级的结构和电催化活性之间的关系。因此，研究单晶表面的界面水行为为理解电催化提供了框架。然而，由于大量水的干扰和界面环境的复杂性，界面水难以探测。近日，北京大学深圳研究生院潘锋教授与厦门大学李剑锋教授课题组合作使用电化学、原位拉曼光谱和计算技术来研究原子级平坦钯Pd单晶表面的界面水。直接光谱证据表明，界面水由氢键和水合钠离子水组成。在析氢反应势下，由于偏压和钠离子的协同作用，界面水的结构发生了从随机分布到有序结构的动态变化。结构有序的界面水促进了界面上的高效电子转移，导致更高的HER速率。还探讨了电解质和电极表面对界面水的影响，发现它们会影响水的结构。因此，通过局部阳离子调节策略，预期这些结果可以被推广到有序界面水以提高电催化反应速率。

相关研究工作以“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。该研究工作是由北京大学深圳研究生院新材料学院的潘锋教授和厦门大学化学化工学院李剑锋教授共同指导完成，北京大学深圳研究生院郑世胜和厦门大学化学化工学院王耀辉为论文的共同第一作。据报道，这是北京大学深圳研究生院首篇Nature，祝贺！

图文速递

图1. 钯(hkl)表面界面水的探测

图2. 界面水的拉曼光谱

本文结合原位拉曼光谱(SHINERS)和从头算分子动力学(AIMD)模拟，研究了原子级平坦钯单晶(Pd(hkl))表面界面水的结构和离解过程。Pd是研究最广泛的HER电催化剂之一，也是本研究的重点。作者阐明了界面水的结构有序化机理和界面水结构的局部阳离子扰动效应，以及由此产生的电催化反应速率。

图3. 水离解

图4. 界面水的HER图和拉曼光谱

在这项研究中，作者开发了一个框架来关联阳离子和界面水的结构与HER电催化剂的电催化性能。在偏压下，与水分子结合的水合阳离子被引导至Pd表面，以减少Pd–H距离并提高电荷转移效率，从而提高HER性能，由于界面静电相互作用的影响，它也与阳离子的浓度和离子强度成正比。从热力学的角度来看，通过界面附近的局部水合阳离子调节策略，无序体H₂O可以在有限区域内有效地排列成有序界面H₂O（即熵减少过程），以最小化额外功并最大化电化学能量转换。在这方面，共催化剂界面阳离子改变了HER中反应物和产物的传输路径，从而提高了反应速率。在水电催化反应中界面水结构的出现以及阳离子调谐策略在其他能量转换领域的应用之后，本文的发现和实验能力为未来的工作提供了令人兴奋的前景。

结论与展望

2001年，北京大学与深圳市合作创办了北京大学深圳研究生院，以探索中国高等教育改革为使命拉开了市校合作的序幕。北大深研院在诞生之初，就立志成为中国高等教育综合改革的突破口。探索出“前沿领域、交叉学科、应用学术、国际标准”的办学特色。不断加强学科建设，培植基础学科的原始创新，激励交叉学科、新兴学科涌现，致力于培养追求卓越、引领未来的科创人才，持续深化学科布局与广东省、深圳市产业布局的紧密结合。同时瞄准一流，构建传承北大、深圳特色的国际化办学体系。

二十年来，北大深研院筑巢引凤，汇聚了一支高水平、国际化的师资团队。如今深研院共有全职教师270人，全职教师中有中国科学院院士2人，国家海外高层次人才12人，“长江学者”5人。多位教师入选2020全球前2%顶尖科学家榜单和Elsevier 2020“中国高被引学者（Highly Cited Chinese Researchers）”榜单。二十年来，深研院累积招生17226人，近几年约30%毕业生选择留深工作。

廿载南燕，再启风华，祝北京大学深圳校区发展越来越好！

文献

文献链接：

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

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