Modulating the interfacial solvation structure to promote hydroxyl migration for alkaline hydrogen oxidation

作者
Chenggong Niu,Yulin Zhao,Yuchen Lei,Linyu Chen,Zuyang Luo,Heyang Liu,Tingting Tang,Xiaofeng Shi,Lianhai Zu,Wei Zhao,Xiulin Yang,Rui Cao,Jieshan Qiu,Yongfa Zhu,Bin Wu
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:17 (1) 被引量:1
标识
DOI:10.1038/s41467-026-75394-x
摘要

Alkaline hydrogen oxidation reaction (HOR) kinetics are fundamentally governed by electrode-electrolyte interfacial water structure and hydrogen-bond (H-bond) networks, yet their dynamic regulatory mechanism remains elusive. Here we show that precise modulation of the P coordination environment of Ir-based catalysts effectively enhances alkaline HOR catalytic performance. A series of Ir-based model catalysts with tunable P-coordination numbers are synthesized on nitrogen-doped carbon (NC) (IrP2-Ir2P@NC, IrP2@NC, Ir@NC). The optimal Ir-P coordination (5.1 ± 0.7) induces controlled partial dissolution of Ir cations, a dynamic phenomenon rarely exploited in alkaline HOR catalysis. This effect reconstructs the interfacial H-bond network via enriched gap-H2O and strengthened network connectivity, while optimizing hydrogen and hydroxyl adsorption to accelerate the Volmer step. The optimized IrP2-Ir2P@NC delivers a mass activity of 1.72 mA μg−1 and a prominent alkaline exchange membrane fuel cell (AEMFC) peak power density of 1.59 W cm−2. Ab initio molecular dynamics simulations confirm modified solvation structure elevates interfacial H-bond density, thereby elucidating the previously unresolved mechanism by which cation dissolution dynamically templates the H-bond network for enhanced HOR performance. The kinetics of alkaline hydrogen oxidation reaction depends on H-bond network at catalyst surfaces. Here, the authors tune the P coordination of Ir-based catalysts, which triggers metal leaching, reorganizes interfacial H-bond networks and improves fuel cell performance.
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