image: 在电催化二氧化碳还原过程中，相邻立方相碳化钼纳米颗粒的加入可以调节CoPc分子间的界面结构，促进质子生成与转移。 view more
Credit: ©《中国科学》杂志社
近日，《国家科学评论》在线发表了安徽大学林运祥博士、大湾区大学李喜玉博士、中国科学技术大学刘恒劼博士和宋礼教授的研究成果，该研究团队报道了电催化二氧化碳和水分子共还原生成一氧化碳过程中电解质-电极界面氢键网络的调节策略。
电催化二氧化碳还原是一个质子耦合电子转移（PCET）过程，其中来自电解质-电极界面水分子的质子在反应中起着至关重要的作用。因此，除了降低能量垒外，提高PCET步骤的动力学是提高催化性能的重要策略。一种方法是在反应过程中，将长链分子引入电解液中，以改变电极表面的氢键网络，但是不利于产物的最终分离。另一种方法是建立相邻的活性位点（例如，相邻的单原子位点）来增强水的解离并确保足够的质子供应。这种调节解离水分子以提高催化性能的策略可以大大扩大复杂PCET工艺中材料设计和制造的潜力。
为了有效地加速PCET过程，选择具有良好的水解离能力的立方相碳化钼纳米颗粒引入碳基底中，来修饰酞菁钴分子的邻近微环境，促进质子的生成和转移。采用了一系列原位表征进一步证实了界面水的重排和中间产物的快速转化。此外，结合理论模拟表明立方相碳化钼纳米颗粒的掺入可以有效地改变酞菁钴分子附近水分子的吸附行为，从而加速氢键网络中的质子转移。该团队将同步辐射的原位表征和理论模拟相结合，提供了一个简单而有效的策略来跟踪反应过程中致密界面氢键网络的形成以及质子产生和快速转移的内在机制。