Superior activity hydrogen evolution enabled by interfacial water orientation and concerted proton–electron transfer

作者
Yuanfeng Gao,Junyu Wang,Yusheng Yang,Liang Wu,Aimin Yu,Dongsheng Li,Cunman Zhang,Chenghua Sun,Hong Lv
出处
期刊:Nano Research [Springer Science+Business Media]
卷期号:19 (9): 94908648-94908648 被引量:1
标识
DOI:10.26599/nr.2026.94908648
摘要

Abstract Proton transfer (PT) at the catalyst-electrolyte interface is a fundamental step in the hydrogen evolution reaction (HER), yet its interfacial dynamics is poorly understood. Here, we report 15% Co/O-FeP supported on multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs) as a highly efficient HER catalyst, delivering an overpotential of only 58 mV at 10 mA·cm−2 and sustaining 500 mA·cm−2 for over 111 h without noticeable degradation. Outstanding HER performance and high-current stability make industrial-level hydrogen evolution feasible. Using in-situ Raman spectroscopy and ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations, we reveal that the orientation of interfacial water molecules, particularly interfacial H+ solvation effect induced by H-down configurations, governs HER kinetics by accelerating proton migration and enabling a concerted proton-electron transfer (CPET). Mechanically, PT proceeds through a two-step pathway: (i) Protons migrate from bulk solution to the electrical double layer (EDL) to form H3O+ and (ii) H3O+ undergoes rapid proton exchange with catalyst active sites. H-down water configurations within the inner Helmholtz plane (IHP) stabilizes de-solvation shells and couples efficiently with interfacial electrons, lowering kinetic barriers. These findings establish a direct correlation between interfacial water structure, hydrogen-bond network, and CPET efficiency, providing fundamental insights for the rational design of advanced electrocatalytic interfaces.
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