對于電催化過程，在電催化劑與電解液界面處形成一個特殊的限域空間，也被稱為界面微環(huán)境。近日，我校化工學(xué)院李春忠教授、江宏亮教授和化學(xué)與分子工程學(xué)院練成教授在二氧化碳電催化界面微環(huán)境調(diào)控領(lǐng)域取得新進(jìn)展。相關(guān)成果以“Lewis-Base Ligand-Reshaped Interfacial Hydrogen-Bond Network Boosts CO₂ Electrolysis”發(fā)表在《國家科學(xué)評論》（National Science Review）。

電催化反應(yīng)發(fā)生在納米尺度的電極-電解質(zhì)界面處，在施加電場下存在復(fù)雜的電子轉(zhuǎn)移、質(zhì)子傳遞和物質(zhì)擴(kuò)散過程。理解界面結(jié)構(gòu)及其可能的動態(tài)時空相互作用，例如電催化劑與電解質(zhì)之間的相互作用或電解液組分之間的相互作用，這對于通過同時優(yōu)化電催化劑和電解液來提高電化學(xué)性能至關(guān)重要。

研究團(tuán)隊提出了路易斯堿配體分子調(diào)控電極-電解液界面雙電層的策略，將微量乙二胺四乙酸分子及其類似配體作為電解液添加劑，并利用原位紅外及從頭算分子動力學(xué)計算揭示了乙二胺四乙酸配體在電化學(xué)界面處的動態(tài)變化及其在CO₂還原中的作用機(jī)制。路易斯堿配體通過路易斯酸堿相互作用，重構(gòu)了陽離子溶劑化殼層，并通過形成氫鍵破壞層重塑了界面氫鍵網(wǎng)絡(luò)。該策略可進(jìn)一步拓展至一系列商用催化劑中。該研究不僅提出了路易斯堿配體調(diào)控催化界面的策略，還揭示了路易斯堿配體對CO₂電解的促進(jìn)機(jī)制，提供了雙電層中電解液組分相互作用的全新見解，為理解復(fù)雜的電化學(xué)界面組織提供了新視角。

圖片說明：K-H₂O 和 K-H₂O-EDTA界面的雙電層結(jié)構(gòu)示意圖

圖片說明：基于從頭算分子動力學(xué)的氫有關(guān)的電催化過程計算

圖片說明：流動型電解反應(yīng)器中的CO₂電解性能

該工作第一作者為博士研究生葛旺鑫和陶浩蘭博士，通訊作者為李春忠教授、江宏亮教授和練成教授。此外，該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委重點(diǎn)項目和優(yōu)秀青年科學(xué)基金項目、上海市級科技重大專項、上海市科技支撐碳達(dá)峰碳中和專項等經(jīng)費(fèi)支持。

原文鏈接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwae218