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“水”,又一篇Nature Chemistry,中国青年学者担任一作!

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界面水才是关键!CO₂电催化的隐藏机制被揭开

在将 CO₂ 电化学还原为燃料和化学品的众多方案中,CO₂ 电还原反应(CO₂RR)因其潜力巨大而备受关注,但其在高电流密度下能量效率不足的问题长期未能突破,其症结主要来自竞争性的析氢反应(HER)以及碳酸盐副产物的影响。同时,界面水层结构在 CO₂RR 和 HER 的选择性与动力学中扮演关键角色,但由于电极/电解液界面处于纳米尺度、瞬态而动态,其真实结构极难原位探测,使得界面水分子的取向、氢键结构及其与反应中间体的耦合机制长期处于争议状态。在碳酸氢盐电解液中,学界往往关注金属表面、阳离子溶剂化及 CO₂ 本身,却忽视了碳酸盐阴离子的深层影响:它们是否可能直接参与反应?又是否重塑界面水结构,进而调控反应路径?这些问题长期没有明确答案。

在此,亥姆霍兹柏林材料与能源所Christopher S. Kley教授课题组结合原位振动光谱(ATR-SEIRAS)、在线可变电位质量谱(DEMS)及密度泛函理论(DFT),首次揭示:碳酸根(CO₃²⁻)及其自由基(CO₃•⁻)能够显著“组织”电极界面水结构,并在高负电位下诱导形成高度有序的氢键网络。这种特殊的界面水结构极大加速质子向电极表面的输运,使 HER 得到强化,同时CO₃•⁻ 本身亦可作为碳源参与还原反应,生成 CO 或醛类产物。此外,研究明确指出在 Au 表面的 CO₂RR 与 HER 中,水而非 HCO₃⁻ 才是主要质子供体,而 HCO₃⁻ 仅在 Heyrovsky 步中有辅助作用。总体而言,本工作深化了对电化学界面的分子级理解,为未来通过电解液结构调控催化反应提供了新策略。相关成果以“Carbonate anions and radicals induce interfacial water ordering in CO2 electroreduction on gold”为题发表在《Nature Chemistry》上,第一作者为中国学者Ya-Wei Zhou。

界面物种演化与碳酸根自由基的出现

在原位 ATR-SEIRAS 光谱中(图1a),随着电位自 +0.3 V 扫至 –1.0 V,溶解 CO₂ 的特征峰(~2340 cm⁻¹)逐渐减弱,而碳酸根的非对称伸缩峰(~1390 cm⁻¹)显著增强,意味着 HER 产生的 OH⁻ 促使 CO₃²⁻ 在电极表面积累(图1c)。同时,一条位于约 1100 cm⁻¹ 的新峰高度敏感,其出现与 DFT 计算及 ¹³C 同位素分析高度吻合,明确将其归因于碳酸根自由基 CO₃•⁻(图1b,e)。这一自由基的出现意味着碳酸根不再是“旁观者”,而会在界面处被进一步还原,其能级排列显示它能够向水的 LUMO 发生电子转移并稳定水化结构(图1e),并在更负电位下系统性增长(图1c),说明其参与后续电子过程。在 DEMS 测量中(图1d),m/z=29(CHO⁺)的信号表明甲醛类产物生成,而这种信号甚至在 Ar 氛围下也能出现,说明碳源部分来自碳酸根自由基,而非 CO₂ 本身。DFT 的能量路径进一步显示 CO₃•⁻ 既可被还原成 HCHO,也可生成 CO,而其路径在 –0.8 V 下均为能量下坡过程(图1f)。

图1: CO₂RR 中界面物种演化、碳酸根自由基出现及其还原路径示意

质子究竟来自谁?D₂O 实验给出清晰答案

在 CO₂-饱和的 D₂O 电解液中,DEMS 显示随着电位降低,D₂(m/z=4)与 DH(m/z=3)同时出现,而 H₂(m/z=2)完全没有信号(图2a)。这一结果清晰表明:HER 的 Volmer 步完全来自水的解离,而 HCO₃⁻ 并非主要质子供体,它仅在 Heyrovsky 步中参与少量质子迁移。接着,DFT 比较不同质子来源的能量代价(图2b),能垒排序呈现出一个极具颠覆性的趋势:CO₃²⁻水化层 < 水合 K⁺ < 自由水 ≪ HCO₃⁻。这意味着真正降低 HER 质子输运能垒的不是阳离子,而是被碳酸根“整理”过的界面水结构,其低能垒特性使水分子更易解离并形成表面吸附氢(图2c)。这也解释了中性/弱碱电解质中 HER 被异常强化的现象,其根源在于“碳酸根-水”复合网络而非传统理解的阳离子效应。

图2: D₂O 实验证明 HER 的质子来自水,并给出不同质子供体的能垒比较

碳酸根如何“重塑”界面水?

界面水的 O–H 拉伸峰由三类氢键结构组成(图3a):约 3200 cm⁻¹ 的四面体氢键(高度有序)、约 3400 cm⁻¹ 的三配位氢键(类液态)以及约 3600 cm⁻¹ 的悬挂 O–H。实验表明,界面水结构的“有序度”与水化 CO₃²⁻ 的强度呈线性增长(图3b),说明碳酸根能够显著诱导界面水网络向更有序、更短氢键方向转变。DFT 反应路径(图3c)显示:CO₃²⁻ 可向水分子发生热中性的电子转移,使水更易被极化并解离;形成的 CO₃•⁻ 又成为质子传输的“中继节点”,通过类 Grotthuss 机制加速质子迁移(图3c–d)。能量分析(图3e)显示,在 –0.8 V 下,HER 路径整体呈能量下坡,而 CO₂RR 中 *HCO₂ 的形成则难以与 Heyrovsky 步竞争,这意味着界面水结构的重排是 HER 在高负电位全面压制 CO₂RR 的根本原因。

图3: 碳酸根诱导界面水由无序转向高度有序,并加速质子迁移的机理

Au 表面的完整反应版图

图4a 以示意图形式整合了 Au 表面所有竞争反应:经典的 CO₂→*COOH→CO 路径(黑色)、CO 的进一步加氢生成 HCHO(绿色)、由 CO₃•⁻ 作为碳源生成 HCHO 的途径(黄色)以及最受界面水结构促进的 HER 通路(红色)。图4b 则展示 HER 在不同电位范围内的主导因素:低过电位区水分解缓慢,中等过电位时 K⁺ 和 CO₃²⁻ 开始富集,而在约 –0.8 V 附近 CO₃²⁻ 的特异吸附使界面水形成高度有序网络,极大增强质子输运,从而将 HER 推向绝对优势;更负电位下 CO₃²⁻ 脱附或 K₂CO₃ 析晶又会削弱 HER。整体而言,电解液结构—界面水有序化—反应动力学构成了一个完整的连锁调控框架。

图4: Au 表面 CO₂RR / HER / CO₃•⁻ 还原的完整反应路径及随电位变化的行为

小结

本研究揭示了一个长期被忽略但至关重要的事实:碳酸根及其自由基能深度调控界面水结构,并强烈影响 CO₂RR 与 HER 的相对速率与选择性。它们不仅通过组织界面水形成高有序氢键网络从而加速 HER,还能作为反应的碳源参与生成 CO 与醛类物种。这些发现提示未来的电催化策略需跳出“仅关注电极材料”的思维,将电解液离子结构与界面水网络的设计纳入真正的反应调控框架。对于所有含碳酸盐的水系电化学体系(包括 CO₂RR、HER、OER、光电化学界面等),这一界面结构效应都可能具有普遍意义。

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