对于电催化过程，在电催化剂与电解液界面处形成一个特殊的限域空间，也被称为界面微环境。近日，我校化工学院李春忠教授、江宏亮教授和化学与分子工程学院练成教授在二氧化碳电催化界面微环境调控领域取得新进展。相关成果以“Lewis-Base Ligand-Reshaped Interfacial Hydrogen-Bond Network Boosts CO2 Electrolysis”发表在《国家科学评论》（National Science Review）。
电催化反应发生在纳米尺度的电极-电解质界面处，在施加电场下存在复杂的电子转移、质子传递和物质扩散过程。理解界面结构及其可能的动态时空相互作用，例如电催化剂与电解质之间的相互作用或电解液组分之间的相互作用，这对于通过同时优化电催化剂和电解液来提高电化学性能至关重要。
研究团队提出了路易斯碱配体分子调控电极-电解液界面双电层的策略，将微量乙二胺四乙酸分子及其类似配体作为电解液添加剂，并利用原位红外及从头算分子动力学计算揭示了乙二胺四乙酸配体在电化学界面处的动态变化及其在CO2还原中的作用机制。路易斯碱配体通过路易斯酸碱相互作用，重构了阳离子溶剂化壳层，并通过形成氢键破坏层重塑了界面氢键网络。该策略可进一步拓展至一系列商用催化剂中。该研究不仅提出了路易斯碱配体调控催化界面的策略，还揭示了路易斯碱配体对CO2电解的促进机制，提供了双电层中电解液组分相互作用的全新见解，为理解复杂的电化学界面组织提供了新视角。
图片说明：K-H2O 和 K-H2O-EDTA界面的双电层结构示意图
图片说明：基于从头算分子动力学的氢有关的电催化过程计算
图片说明：流动型电解反应器中的CO2电解性能
该工作第一作者为博士研究生葛旺鑫和陶浩兰博士，通讯作者为李春忠教授、江宏亮教授和练成教授。此外，该研究工作得到了国家自然科学基金委重点项目和优秀青年科学基金项目、上海市级科技重大专项、上海市科技支撑碳达峰碳中和专项等经费支持。
原文链接： https://doi.org/10.1093/nsr/nwae218