本网讯 近日，中南大学物理与电子学院刘敏教授、王辉教授团队在国际顶级刊物《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上发表了题为“原子局域电场诱导界面水取向促进碱性析氢反应（Atomically Local Electric Field Induced Interface Water Reorientation for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction）”的研究论文，报告了刘敏教授等人在电解水制氢用催化剂上设计了一种铱钌(Ir/Ru)双单原子位点（IrRu DSACs），以产生不对称的局部电场来调节H₂O吸附构型和取向，从而促进碱性溶液中的分解水产氢反应。我校物理与电子学院为该项研究成果的第一完成单位，物理与电子学院蔡超博士、刘康博士和张龙讲师为论文第一作者，刘敏教授、王辉教授、傅俊伟副教授、上海大学张登松教授和慕尼黑大学Emiliano Corté教授为共同通讯作者。

原子电场诱导界面H₂O再取向示意图

近年来，随着大家对氢能的关注度日益增加，利用太阳能、风能等可再生能源的电解水制氢（HER）技术因其绿色、环保备受瞩目。众所周知，H₂O的取向会影响其分解过程，但H₂O的取向由于其随机分布而难以控制。针对这一问题，研究团队通过先进的双球差矫正扫描透射电子显微镜，直接表征了活性位点周围的电荷和电场分布。研究发现，IrRu DSACs的电荷密度为4.00 e/Ų，对应的电场强度约为4.00 ×10¹⁰N/C，远高于Ru和Ir SACs的2.24和2.12 e/Ų。分子动力学模拟揭示了原子局部电场对水在界面处取向的影响，包括吸附水的构型演变和氢原子与催化剂表面距离的变化。原位拉曼光谱证实了不对称的水吸附构型，与水解离能力呈正相关。因此，所得到的IrRu DSACs具有10 mV的超低过电位，并在膜电极组件（MEA）中实现了1 A cm^-2电流下，300 小时以上的高稳定性，优于Pt/C和大多数报道的催化剂。该研究结果表明，原子局域电场诱导水的取向是获得高HER活性的有效途径。氢能的开发利用是更快实现碳中和目标、保障国家能源安全、实现低碳转型的重要途径。该研究契合国家《氢能产业发展中长期规划（2021-2035 年）》，为氢能的开发开辟了新的途径。

以上研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、湖南省杰出青年基金、湖南省重点研发项目、粉末冶金国家重点实验室以及中南大学高性能计算公共平台的支持。

（一审：韩艳 二审：邓皓迪 三审：李殷）