在中性和碱性条件下，完整的HER过程包括H₂O在电极表面的解离和H₂O*/OH*中间体的运输，后者在反应的整体动力学中起着至关重要的作用。随着pH值的增加，溶液中氢键网络的刚性增强，阻碍了自由水分子向催化剂表面的移动，这也抑制了中间体向本体溶液中的扩散，从而阻碍了表面活性位点的暴露。在碱性电解质中，OH⁻可以缓解上述情况；然而，在中性电解质中刚性界面水层严重限制了HER的活性。

水分子的取向在静电相互作用的影响下发生变化，H原子会朝向带负电荷的表面，从而破坏氢键网络的结构。H朝向催化剂表面的方向(H-down构型)可以缩短H与活性位点(M)之间的距离，提高了M-H的结合能，这有利于界面水的解离。基于上述结论，有必要设计合适的催化剂来验证界面水在中性HER中的关键作用。

近日，西南大学罗红群和李念兵等首先进行了从头算分子动力学(AIMD)模拟来评估调整界面H₂O提升中性HER活性的可行性。随后，将Ru NCs锚定在Nb₂O₅纳米片上(Ru/Nb₂O₅)，并研究了界面H₂O在中性HER中的行为。

原位SERS和AIMD结果显示，Ru表面的界面水分子通过更多的氢键连接，从而抑制了H₂O*/OH*在电极/电解质界面上的转运。同时，Nb₂O₅的带负电荷的表面可以改变H₂O分子中氢原子的取向，从而破坏刚性的氢键网络，这增加了Ru/Nb₂O₅表面H₂O的可用量，促进了H₂O*/OH*的转运。

此外，密度泛函理论(DFT)计算也表明，Nb₂O₅可以削弱Ru的H*吸附能力，降低H₂O的活化能垒。性能测试结果显示，Ru/Nb₂O₅异质结在中性介质中表现出显著的活性和稳定性。在电流密度为10 mA cm⁻²时，HER过电位仅为31 mV；该催化剂在10、20、50、100、150和200 mA cm⁻²多步电流密度下测定12小时，活性仅发生轻微变化。

总的来说，该项工作提供了一种非常规的方法来探索带电区域对界面水结构调节，阐明了Ru和Nb₂O₅之间的协同作用如何在分子水平上增强界面电催化活性。

Enhancing neutral hydrogen production by disrupting the rigid hydrogen bond network on Ru nanoclusters through Nb₂O₅-mediated water reorientation. Energy & Environmental Science, 2024. DOI: 10.1039/D4EE01855A