In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water

化学物理 电解质 离解(化学) 拉曼光谱 材料科学 电化学 电极 离子 分解水 晶体结构 光谱学 催化作用 化学 结晶学 物理化学 光学 光催化 物理 量子力学 生物化学 有机化学
作者
Yaohui Wang,Shisheng Zheng,Weimin Yang,Ru-Yu Zhou,Quanfeng He,Petar M. Radjenovic,Jin‐Chao Dong,Shunning Li,Jiaxin Zheng,Zhilin Yang,Gary A. Attard,Feng Pan,Zhong‐Qun Tian,Jian‐Feng Li
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:600 (7887): 81-85 被引量:1528
标识
DOI:10.1038/s41586-021-04068-z
摘要

Understanding the structure and dynamic process of water at the solid-liquid interface is an extremely important topic in surface science, energy science and catalysis1-3. As model catalysts, atomically flat single-crystal electrodes exhibit well-defined surface and electric field properties, and therefore may be used to elucidate the relationship between structure and electrocatalytic activity at the atomic level4,5. Hence, studying interfacial water behaviour on single-crystal surfaces provides a framework for understanding electrocatalysis6,7. However, interfacial water is notoriously difficult to probe owing to interference from bulk water and the complexity of interfacial environments8. Here, we use electrochemical, in situ Raman spectroscopic and computational techniques to investigate the interfacial water on atomically flat Pd single-crystal surfaces. Direct spectral evidence reveals that interfacial water consists of hydrogen-bonded and hydrated Na+ ion water. At hydrogen evolution reaction (HER) potentials, dynamic changes in the structure of interfacial water were observed from a random distribution to an ordered structure due to bias potential and Na+ ion cooperation. Structurally ordered interfacial water facilitated high-efficiency electron transfer across the interface, resulting in higher HER rates. The electrolytes and electrode surface effects on interfacial water were also probed and found to affect water structure. Therefore, through local cation tuning strategies, we anticipate that these results may be generalized to enable ordered interfacial water to improve electrocatalytic reaction rates.
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