近日，催化领域的顶级期刊《自然•催化》（Nature Catalysis）以封面文章的形式发表了武汉大学化学与分子科学学院教授陈胜利课题组在氢电催化反应机制方面的最新研究进展。
论文题为“Hydrogen bond network connectivity in the electric double layer dominates the kinetic pH effect in hydrogen electrocatalysis on Pt”（《双电层中氢键网络连通性决定Pt上氢电催化的动力学pH效应》）。化学与分子科学学院博士后李朋和博士生蒋亚铃为共同第一作者，陈胜利为论文通讯作者，武汉大学为论文第一署名单位。
氢电极反应，包含氢氧化反应（HOR）和氢析出反应（HER），是燃料电池和水电解技术的基本反应，也是推动氢能产业发展、实现碳中和目标的两大基石。另外，氢电极反应也一直是电化学基础研究的模型反应。长期以来，人们关于氢电极反应动力学在碱性条件下显著减缓的原因始终难以达成共识。这严重制约了碱性燃料电池和水电解技术的发展，同时也是当前基础电化学的一大难题。
迄今，对这一动力学pH效应的研究主要考虑*H和*OH等中间体的吸附对表面反应步骤能量的影响，而忽略了界面双电层结构对pH的依赖。因此，准确获得不同pH条件下氢电催化体系的界面双电层微观结构特征，将是解决这一难题的突破点。然而，目前在原子、分子尺度解析电催化体系界面结构及过程仍是一个挑战，任何单一技术都显不足。
(a) 酸、碱介质中氢电催化体系表界面结构及其与反应动力学的关联；(b)封面文章
为此，陈胜利课题组结合从头算分子动力学（AIMD）模拟和原位表面增强红外光谱（in situ SEIRAS）技术，通过对AIMD模拟的酸性和碱性界面双电层结构、以及界面水分子的计算振动谱学与SEIRAS实验谱学的细致对比，提出界面双电层中氢键网络连通性的显著差异是导致氢电催化巨大动力学pH效应的根源。随后，以Pt-Ru合金为模型催化剂，进一步揭示了OHad吸附中间体在改善碱性氢电催化反应动力学的本质，即增加双电层中氢键网络的连通性，而不是如以往认为的那样，仅仅影响表面反应路径及其能量。该研究突出了界面双电层结构在电催化中的关键作用，并为结合AIMD模拟、计算谱学和实验谱学研究电化学界面原子结构提供了一个新的研究范式。
该工作得到了国家自然科学基金重点项目及面上项目的经费支持，研究过程中得到了复旦大学教授蔡文斌和武汉大学教授郭存兰的讨论与支持。武汉大学超算中心为计算模拟部分提供了计算资源支持。
近期，陈胜利课题组还通过与武汉大学教授罗威、华南理工大学教授崔志明等课题组合作，在深入认识氢电催化反应机制与材料电子结构的基础上，精准设计多种高效氢电催化材料，相关成果发表在J. Am. Chem. Soc.2022, 144(28), 12661-12672、Nat. Commun.2022,13, 5497等。
陈胜利课题组一直以来围绕电化学能量转化与存储，结合理论、计算与实验，开展电化学基础与技术研究。针对当今高能量与倍率能源电化学体系在材料、界面及电极结构方面的特殊性，重新审视传统电化学双电层和电极过程动力学理论，认识其局限性，并发展新理论模型；结合量子化学、分子动力学、蒙特卡洛、有限元方法等模拟，常规电化学、膜电极、谱学等实验技术，理解能源电化学体系的界面结构、电荷转移与传输动力学；通过深入理解电催化反应机理和构效关系、离子嵌脱机制与动力学、多孔电极过程与动力学等，设计能源电化学材料与电极。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-022-00846-8
图文来源：武汉大学，版权属于原作者，仅用于学术分享
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