重庆大学魏子栋课题组[综述]：电解水析氢反应中水分子的作用与贡献

析氢反应反应动力学在酸碱性介质中存在极大的差异，其主要源于水同时具有溶剂与反应物种的功能而影响着反应机理。重庆大学魏子栋课题组从水与析氢反应之间关系的视角出发，从氢结合能、双功能机理、以及界面水重组等几个方面系统总结了水分子对析氢反应的作用与贡献，提出电极/溶液界面与电极组成可调控界面水的富集、重定向与活化解离，从而实现析氢各基元步的强化耦合与性能提升。

“零碳”可再生能源的电解水制氢技术是可以同时破解能源危机和环境危机的关键技术，在国际上受到高度重视。如何进一步提高电解效率与稳定性，降低电能消耗和成本是推动电解水制氢技术规模化与工业化发展的主要瓶颈。对电解水阴极析氢反应而言，理解酸碱性介质中析氢反应动力学有2~3个数量级差异的本质原因，提高电催化本征活性的同时，提高实际工况下的反应动力学是突破上述瓶颈的科学关键。

近日，重庆大学化学化工学院魏子栋课题组受邀在SCIENCE CHINA Chemistry发表了题为“The contribution of water molecules to the hydrogen evolution reaction”的综述论文，详细介绍了水分子对析氢反应的作用与贡献。

本文中，作者总结了过去十几年来析氢反应活性描述符的发展历程，重点分析了水分子同时作为溶剂和反应物种对析氢机理和反应活性的影响机制和调控作用。首先，氢结合能作为最早提出的活性描述符，可指示酸性电解水析氢活性。当引入水吸附的修正项后，则可用于指示碱水析氢反应活性。其次，结合双功能机理和水解离机理，深入分析了OH^-、OH_ad和碱金属阳离子等对析氢机理和活性的影响规律，确定了界面水的重要作用。随后，进一步强调了界面水是导致酸碱性析氢反应动力学差异的关键因素，界面水的重组与析氢反应活性密切相关。电极/溶液界面处的电场与电极组成可调控界面水的富集、重新定向以及活化解离，进而促进析氢各基元步的耦合，提高其在高极化区间的反应动力学。最后，作者指出未来的研究需要结合原位分析技术和计算化学，在分子原子水平上深入研究电极/溶液界面以及电极/膜/溶液等复杂界面处界面水分子结构和对析氢反应的动态影响机制，进而为高性能电催化剂的设计提供指导。

详见：Cheng, C., Deng, M., Li, L. et al. The contribution of water molecules to the hydrogen evolution reaction. Sci. China Chem., 2022, DOI:10.1007/s11426-022-1371-x

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通讯作者简介

魏子栋 重庆大学教授，教育部长江学者特聘教授，国家重点研发计划项目首席科学家，国家自然科学基金重大项目首席科学家，国家自然科学基金“多项反应传递与转化调控”创新群体骨干成员，“化工过程强化与反应”国家地方联合工程实验室主任，中国石油和化学工业联合会“电解水耦合绿色化工合成”重点实验室主任。主要研究方向是：电化学反应工程，分子催化，新能源材料化学与化工。发表学术论文300余篇，他引19000多次，申请发明专利41项，获授权33项。

李莉 重庆大学教授。从事氢能（电解水与燃料电池）物质与能量高效转换利用相关的研究工作。主持国家自然科学基金青年项目、面上项目，国家自然科学基金优秀青年项目，国家863项目子课题，国家重大研发计划子课题等。已发表SCI论文100余篇，其中第一或通讯作者论文40余篇。