厦大​JACS：SERS助力揭示水分解过程中界面水和OHad结构变化及相互作用

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在众多的制氢方法中，电化学水分解产氢是一种高效、环境友好的方法。铂(Pt)因其对活性氢中间体的吸附和重组能力强而被广泛认为是析氢反应(HER)的最佳电催化剂。然而，Pt基材料丰度有限，成本高，耐久性差，促使人们探索高效的非贵金属基碱性HER材料。根据最近的研究，揭示吸附的羟基物种(OHad)和界面水结构的复杂作用是构建高效HER催化剂的关键途径。然而，由于准确获得界面水分子和OHad的光谱数据存在困难，精确调制这些相互作用的方法仍然有限。


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近年来，表面增强拉曼光谱学(SERS)作为一种强大的表征技术，在阐明电催化反应机理方面得到了广泛的应用。基于此，厦门大学李剑锋和张月皎等首次用核壳Au/Ni(OH)2纳米颗粒增强拉曼光谱学，提供了直接的动态光谱证据，说明了界面水分子和吸附羟基物种(OHad)之间的相互作用对Ni(OH)2的HER性质的影响。
值得注意的是，OHad和界面水分子之间的相互作用促进了弱氢键水的形成，形成了一个有利于改善HER性能的环境。当与理论计算相比较时，这些观察结果显示了一个动态的相互作用，其中OHad作为一个介体，吸引水分子，以创建一个金属-OHad-H2O结构，这导致在界面水中形成更多的游离O-H键，并促进了它们在HER过程中的参与。
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此外，研究人员根据理论计算结果揭示了具有Ni中心的Ni(OH)2表面上的HER机制：在Ni(OH)2表面，表面的氢键和水分子之间的氢键最初导致了弱氢键2HB-H2O的出现。这种水分子表现出较高的HER反应倾向，而生成的Had在缺陷部位优先被Ni螯合。同时，在整个催化序列中，OHad中的质子积极参与HER途径，从Ni(OH)2到NiO的转化可以证明这一点。
因此，由OHad物种介导的水的吸附可能是HER活性优化的关键因素。总的来说，该项工作强调了EDL微结构在电催化反应动力学中的重要性，并证明了裁剪界面微环境对于提高电催化性能的潜力。
In situ probing the structure change and interaction of interfacial water and hydroxyl Intermediates on Ni(OH)2 surface over water splitting. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c00948


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