北大&廈大最新Nature

【引言】

了解水分子在固液界面的結構和動態過程是表面科學、能源科學和催化中極其重要的研究課題。作為模型催化劑，原子級平坦的單晶電極表現出良好限定的表面和電場的特性，并且可以被用來闡明在原子水平結構和電催化活性之間的關系，從而為研究單晶表面的界面水分子行為的電催化提供了一個框架。然而，由于來界面水分子的干擾和界面環境的復雜性，界面水很難探測。因此，關于界面水分子在電催化反應過程中的結構變化與作用機制的研究變得困難重重。

表面增強拉曼散射(SERS)是一種具有單分子級分辨能力的高度表面敏感技術。然而，原子扁平的單晶表面不能有效地支持SERS精確檢測表面化學形態所需的表面等離子體共振效應。殼層隔絕納米粒子增強拉曼光譜(SHINERS)技術是為了克服SERS的固有形態限制而發明的，可用于研究具有極高表面靈敏度的單晶表面上的電催化反應。

今日，廈門大學李劍鋒教授和北京大學深圳研究生院潘鋒教授課題組合作，結合電化學、原位拉曼光譜和計算技術，在電催化析氫反應過程中，對鈀單晶電極/溶液界面水分子的構型及其動態變化過程進行實時監測。直接光譜證據表明，界面水分子由氫鍵和水合Na⁺離子水組成。在析氫反應(HER)電位下，由于偏置電位和Na⁺離子的協同作用，觀察到界面水分子結構從隨機分布到有序結構的動態變化。這種結構有序的界面水分子促進了界面上的高效電子轉移，從而提高了HER速率，為指導綠色制氫提供新的理論途徑。此外，作者還發現電解液和電極表面會影響界面水的結構。相關研究成果以“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water”為題發表在Nature上。

?

【圖文導讀】

圖1. 在Pd(hkl)表面探測界面水分子

?

圖2. 界面水分子的拉曼光譜

?

圖3. 界面水分子的解離

?

圖4. 界面水分子的HER譜和拉曼光譜

文獻鏈接：“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

本文由溫華供稿。