堿性水電解法是一種很有前途的大規(guī)模制氫方法。在堿性電解質(zhì)中，水解離步驟通常被認(rèn)為是析氫反應(yīng)(HER)的速率決定步驟，并且水在催化劑與電解質(zhì)界面上的取向，包括吸附構(gòu)型(O-down或H-down)和H?O?H鍵角，可以直接影響解離過(guò)程。因此，調(diào)節(jié)界面水的取向以促進(jìn)水的解離可能是一種很有前途的提高HER活性的方法。

近日，中南大學(xué)劉敏、王輝、傅俊偉、慕尼黑大學(xué)Emiliano Cortés和上海大學(xué)張登松等在CoP催化劑上設(shè)計(jì)了Ir/Ru雙合子單原子位點(diǎn)(IrRu DSACs)，以產(chǎn)生原子不對(duì)稱(chēng)的局部電場(chǎng)，從而調(diào)節(jié)水的吸附構(gòu)型和取向，并最終促進(jìn)堿性HER。

首先，研究人員利用Cs-corrected TEM直接表征了原子尺度的電荷和局部電場(chǎng)分布。IrRu DSACs具有較高的電荷密度變化量(為4.00 e/?²)，對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度為~4.00×10¹⁰ N/C，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于Ru和Ir SACs的2.24和2.12 e/?²。

其次，從頭算分子動(dòng)力學(xué)(AIMD)模擬進(jìn)一步揭示了原子局域電場(chǎng)對(duì)水在界面上的重新定向的影響，包括被吸附的水的構(gòu)型變化和M?H距離的變化。最后，原位拉曼表征證實(shí)了IrRu DSACs上具有不對(duì)稱(chēng)的H-down吸附的水構(gòu)型，H?O?H鍵角增加，這與水的解離能力呈正相關(guān)，表明其具有良好的堿性HER活性。

因此，在堿性條件下，IrRu DSACs在10 mA cm^?2電流密度下的過(guò)電位僅為10 mV；其在100 mV過(guò)電位下的質(zhì)量活性為2.36 mA ug^?1，遠(yuǎn)高于CoP(0.03 mA ug^?1)和Ru/C(0.63 mA ug^?1)。

此外，該催化劑作為膜電極組件(MEA)在1 A cm^?2電流密度下能夠連續(xù)運(yùn)行300 h，表明其具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作探究了局部電場(chǎng)對(duì)水解離的作用，證明了原子局域電場(chǎng)誘導(dǎo)的水取向是實(shí)現(xiàn)高HER活性的有效途徑。

Atomically Local Electric Field Induced Interface Water Reorientation for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202300873