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​西安交通大学ACS Catalysis：强氢键界面水抑制HER动力学，促进电化学CO2还原为C2+2024-04-02
利用可再生电能驱动电化学CO2还原反应(CO2RR)是生产高附加值燃料的有效途径。在各种产物中，多碳产物(C2+)由于其较高的能量密度而备受青睐。然而，反应过程中严重的析氢显著降低*CO中间产物的覆盖率，从而降低C-C偶联的几率。调控电极-电解质界面微环境是抑制HER活性、提高C2+选择性的有效途径。大量研究表明，微环境尤其是疏水性的调控有助于实现这一目标。

 

然而，疏水层修饰总是引发综合效应: 水可利用性的降低不仅抑制了HER的活性，而且影响了CO2RR中质子-电偶联步骤的过程。因此，有必要在分子水平上对疏水微环境进行深入理解和精确调控。
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近日，西安交通大学肖春辉课题组通过电化学原位振动光谱结合分子动力学模拟，采用厚度可控的聚二甲基硅氧烷改性铜催化剂(PDMS)作为模型催化剂，探究了带电疏水电极表面界面水结构的动态变化，并进一步探讨了其抑制电极活性和提高多碳产物选择性的机理来源。
结果表明，疏水电极表面附近的界面水分子间存在强烈的氢键相互作用，且氢键相互作用的强度随着偏压的增大而增强；强烈的分子间氢键使得水分子的重新取向变得困难，从而导致金属-氢之间的距离变长，抑制了水分子的解离，减少了*H的覆盖率。
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适度的*H覆盖度不仅可以抑制析氢反应，而且可以通过中间体的加氢反应促进C-C二聚反应。因此，改性的Cu (111)@PDMS催化剂的H2的选择性被显著抑制，从21.8%下降到10.4%；在-0.98 VRHE处C2H4、CH3CH2OH和CH3COOH的法拉第效率(FE)分别为41.2%、21.2%和12.8%，在-1.08 VRHE处的C2+部分电流密度高达-135 mA cm-2，优于未改性的Cu (111)催化剂。
此外，该材料在连续电解8 h后，C2+的FE仍保持在60%以上，证明了Cu (111)@PDMS催化剂具有良好的稳定性。综上，该项研究证明界面水的氢键结构在CO2RR反应中起着重要作用，为精确控制反应选择性提供了的理论基础。
Strong hydrogen-bonded interfacial water inhibiting hydrogen evolution kinetics to promote electrochemical CO2 reduction to C2+. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.3c05880
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