新材料學(xué)院首篇Nature為南燕二十周年慶獻(xiàn)禮
?在北京大學(xué)深圳研究生院建院二十周年之際，新材料學(xué)院的潘鋒團(tuán)隊(duì)與廈門大學(xué)的李劍鋒團(tuán)隊(duì)合作，融合原位增強(qiáng)拉曼實(shí)驗(yàn)與量子化學(xué)計(jì)算從原子和分子水平上揭示了界面水分子的有序結(jié)構(gòu)及高效電催化制氫機(jī)理，為提升電催化反應(yīng)速率提供了一種新的策略，解開了界面水分子結(jié)構(gòu)如何調(diào)控電催化反應(yīng)這一科研難題，該研究成果最近發(fā)表于《自然》雜志（Nature 2021，DOI: 10.1038/s41586-021-04068-z），為“廿載南燕”送上生日賀禮，祝北京大學(xué)在南國(guó)燕園“再起風(fēng)華”。
電極/溶液界面水分子的物理化學(xué)特性是理解和發(fā)展表面科學(xué)、催化和能源科學(xué)的重要基礎(chǔ)。在新能源應(yīng)用方面水分子直接參與眾多重要的電催化反應(yīng)，如水解離生成氫氣（HER）和氧氣（OER）、二氧化碳還原（CO2RR）、氧還原（ORR）、氮還原（NRR）等，其反應(yīng)過(guò)程強(qiáng)烈依賴于電極電勢(shì)及對(duì)應(yīng)的界面溶液結(jié)構(gòu)與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程。因此，在原位條件下研究界面（特別是原子級(jí)平整的模型單晶表面）水分子的結(jié)構(gòu)及其在電催化反應(yīng)中的構(gòu)效關(guān)系，一直是電化學(xué)領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。
?
團(tuán)隊(duì)融合增強(qiáng)拉曼原位監(jiān)測(cè)鈀單晶電極/溶液界面水分子的構(gòu)型及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程等實(shí)驗(yàn)與量子化學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)電極/溶液界面除了已知的含有氫鍵網(wǎng)絡(luò)連接水分子之外，還有一類與陽(yáng)離子鍵合的水分子，該水合陽(yáng)離子能與鈀單晶負(fù)電極形成有效地靜電相互作用下，在負(fù)電極電勢(shì)逐漸降低時(shí)鍵合在陽(yáng)離子上的水分子在鈀單晶負(fù)電極界面排布成有序的結(jié)構(gòu)。通過(guò)第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬進(jìn)一步從理論上證實(shí)從原子尺度描述了界面水從無(wú)序到一個(gè)氫朝下再到兩個(gè)氫朝下的相對(duì)有序構(gòu)型的轉(zhuǎn)化過(guò)程。重要的是，這類有序的界面水分子比氫鍵網(wǎng)絡(luò)連接的水分子更加靠近電極表面，可以有效地實(shí)現(xiàn)氫與電極表面間的電荷轉(zhuǎn)移，從而極大提升產(chǎn)氫效率。以此機(jī)理，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了提高陽(yáng)離子的濃度和價(jià)態(tài)能夠提升水合陽(yáng)離子與負(fù)電極靜電相互作用，會(huì)進(jìn)一步增加界面區(qū)有序水分子的含量從而提高產(chǎn)氫效率。此外，研究還發(fā)現(xiàn)單晶電極的晶面結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)都將影響陽(yáng)離子鍵合水分子的含量和產(chǎn)氫效率，證實(shí)了陽(yáng)離子鍵合水分子對(duì)產(chǎn)氫效率具有普適性。
本工作通過(guò)分子尺度原位的實(shí)驗(yàn)觀察和理論模擬計(jì)算，深入認(rèn)識(shí)界面水分子結(jié)構(gòu)對(duì)電催化反應(yīng)過(guò)程的調(diào)控機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了陽(yáng)離子能夠通過(guò)鍵合水與電極有效互相作用共同起到了提升催化效率（可看作是一種“助催化”劑），從而拓展了對(duì)固液催化的認(rèn)識(shí)—電解質(zhì)溶液組分和結(jié)構(gòu)（如水合的陽(yáng)離子濃度與價(jià)態(tài)）與固相界面結(jié)構(gòu)能共同影響催化反應(yīng)機(jī)制（“助催化”效應(yīng)），為提升電催化反應(yīng)速率提供了一種新的策略。
該研究工作是由北京大學(xué)深圳研究生院新材料學(xué)院的潘鋒教授和廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李劍鋒教授共同指導(dǎo)完成，北大深研院新材料學(xué)院鄭世勝和廈大化學(xué)化工學(xué)院王耀輝為論文的共同第一作。該工作還得到了廈門大學(xué)田中群教授、利物浦大學(xué)Gary Attard教授、北京大學(xué)深圳研究生院鄭家新副教授、李舜寧副研究員等的支持。本研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。
?
版權(quán)與免責(zé)聲明：本網(wǎng)頁(yè)的內(nèi)容由收集互聯(lián)網(wǎng)上公開發(fā)布的信息整理獲得。目的在于傳遞信息及分享，并不意味著贊同其觀點(diǎn)或證實(shí)其真實(shí)性，也不構(gòu)成其他建議。僅提供交流平臺(tái)，不為其版權(quán)負(fù)責(zé)。如涉及侵權(quán)，請(qǐng)聯(lián)系我們及時(shí)修改或刪除。郵箱：sales@allpeptide.com