研究團(tuán)隊(duì)利用原位表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，在電催化析氫反應(yīng)過(guò)程中，對(duì)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)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。研究人員發(fā)現(xiàn)，電極/溶液界面除了已知的含有氫鍵的水分子之外，界面上還有一類(lèi)與陽(yáng)離子鍵合的水分子。后者在陽(yáng)離子和負(fù)電極電勢(shì)協(xié)同作用下，無(wú)序的水分子排布成更為有序的特殊結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)可以加速電極與水分子間的電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而極大提升電催化反應(yīng)析氫的速率，為指導(dǎo)綠色制氫提供新的理論途徑。

研究顯示，這類(lèi)界面水分子比氫鍵水分子更加接近電極表面，可以提高其和電極表面間的電荷轉(zhuǎn)移效率，極大提升電催化析氫反應(yīng)速率。提高陽(yáng)離子的濃度和價(jià)態(tài)會(huì)進(jìn)一步增加界面區(qū)有序水分子的含量，進(jìn)一步提高電催化析氫反應(yīng)速率。

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電催化析氫反應(yīng)速率，證實(shí)了陽(yáng)離子鍵合水分子加速電催化析氫反應(yīng)速率具有普適性。該研究從單晶模型體系出發(fā)，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，解決了困擾電化學(xué)領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的難題。