碱性水电解法是一种很有前途的大规模制氢方法。在碱性电解质中，水解离步骤通常被认为是析氢反应(HER)的速率决定步骤，并且水在催化剂与电解质界面上的取向，包括吸附构型(O-down或H-down)和H−O−H键角，可以直接影响解离过程。因此，调节界面水的取向以促进水的解离可能是一种很有前途的提高HER活性的方法。
近日，中南大学刘敏、王辉、傅俊伟、慕尼黑大学Emiliano Cortés和上海大学张登松等在CoP催化剂上设计了Ir/Ru双合子单原子位点(IrRu DSACs)，以产生原子不对称的局部电场，从而调节水的吸附构型和取向，并最终促进碱性HER。
首先，研究人员利用Cs-corrected TEM直接表征了原子尺度的电荷和局部电场分布。IrRu DSACs具有较高的电荷密度变化量(为4.00 e/Å2)，对应的电场强度为~4.00×1010 N/C，远远大于Ru和Ir SACs的2.24和2.12 e/Å2。
其次，从头算分子动力学(AIMD)模拟进一步揭示了原子局域电场对水在界面上的重新定向的影响，包括被吸附的水的构型变化和M−H距离的变化。最后，原位拉曼表征证实了IrRu DSACs上具有不对称的H-down吸附的水构型，H−O−H键角增加，这与水的解离能力呈正相关，表明其具有良好的碱性HER活性。
因此，在碱性条件下，IrRu DSACs在10 mA cm−2电流密度下的过电位仅为10 mV；其在100 mV过电位下的质量活性为2.36 mA ug−1，远高于CoP(0.03 mA ug−1)和Ru/C(0.63 mA ug−1)。
此外，该催化剂作为膜电极组件(MEA)在1 A cm−2电流密度下能够连续运行300 h，表明其具有优异的稳定性。这项工作探究了局部电场对水解离的作用，证明了原子局域电场诱导的水取向是实现高HER活性的有效途径。
Atomically Local Electric Field Induced Interface Water Reorientation for Alkaline Hydrogen Evolution Reaction. Angewandte Chemie International Edition, 2023. DOI: 10.1002/anie.202300873
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