北大&厦大最新Nature

【引言】

了解水分子在固液界面的结构和动态过程是表面科学、能源科学和催化中极其重要的研究课题。作为模型催化剂，原子级平坦的单晶电极表现出良好限定的表面和电场的特性，并且可以被用来阐明在原子水平结构和电催化活性之间的关系，从而为研究单晶表面的界面水分子行为的电催化提供了一个框架。然而，由于来界面水分子的干扰和界面环境的复杂性，界面水很难探测。因此，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变得困难重重。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种具有单分子级分辨能力的高度表面敏感技术。然而，原子扁平的单晶表面不能有效地支持SERS精确检测表面化学形态所需的表面等离子体共振效应。壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)技术是为了克服SERS的固有形态限制而发明的，可用于研究具有极高表面灵敏度的单晶表面上的电催化反应。

今日，厦门大学李剑锋教授和北京大学深圳研究生院潘锋教授课题组合作，结合电化学、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。直接光谱证据表明，界面水分子由氢键和水合Na⁺离子水组成。在析氢反应(HER)电位下，由于偏置电位和Na⁺离子的协同作用，观察到界面水分子结构从随机分布到有序结构的动态变化。这种结构有序的界面水分子促进了界面上的高效电子转移，从而提高了HER速率，为指导绿色制氢提供新的理论途径。此外，作者还发现电解液和电极表面会影响界面水的结构。相关研究成果以“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water”为题发表在Nature上。

【图文导读】

图1. 在Pd(hkl)表面探测界面水分子

图2. 界面水分子的拉曼光谱

图3.界面水分子的解离

图4. 界面水分子的HER谱和拉曼光谱

文献链接：“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water.” Nature 600, 81–85 (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04068-z

本文由温华供稿。