芝加哥最新Nat. Catal.：非水环境中调节水-氢键！

第一作者：Reginaldo J. Gomes

通讯作者：Chibueze V. Amanchukwu

通讯单位：芝加哥大学

论文速览

电化学二氧化碳还原（CO₂R）可以提供一种生产燃料和化学品的可持续路线；然而，CO₂R的选择性经常受到竞争性析氢反应（HER）的损害，即使对于低浓度的水也是如此。

本文研究了在非水环境中，通过调控水分子的氢键作用，来控制其在电化学转化中的活性，特别是针对二氧化碳还原（CO₂R）和析氢反应（HER）。研究团队发现，通过在一系列非质子溶剂中调控水的溶解和动态，可以调节HER的活性和CO₂R的选择性。研究表明，将水限制在强氢键网络中，可将其起始电位延长近1 V。

此外，使用金催化剂，在高达3 M的水浓度下，实现了近100%的CO法拉第效率。在温和酸性条件下，使用Zn基催化剂，可在长期电解过程中保持接近100%的法拉第效率，同时避免碳酸盐损失。本工作提供了控制水的反应性的见解，并揭示了指导电解液设计的重要电化学转化的描述符。

图文导读

图1：有机介质中的水形态。

图2：水的聚集和动力学。

图3：水溶剂化对HER的影响。

图4：加水对CO2R的影响。

图5：水溶剂化对动力学的影响。

图6：酸性条件下的电化学性能。

总结展望

本研究通过调控非质子溶剂中水分子的氢键作用，实现了对HER和CO₂R活性及选择性的调控。研究结果表明，通过选择具有高供体数的溶剂，可以形成强水HB网络，从而增加水分子间的HB寿命，并降低HER的起始电位。

此外，通过优化溶剂选择，可在酸性非水环境中实现高达100%的CO选择性，同时避免碳酸盐的损失。这些发现不仅为设计新型电解液提供了理论基础，也为实现高效、选择性的电化学转化反应提供了新策略。未来的研究可以进一步探索不同溶剂对水分子行为的调控机制，以及这些机制在其他电化学过程中的应用潜力。

文献信息

标题：Modulating water hydrogen bonding within a non-aqueous environment controls its reactivity in electrochemical transformations

期刊：Nature Catalysis

DOI：10.1038/s41929-024-01162-z

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