摘要：电极表面的水分子在放弃电子形成氧气之前会翻转——这是纳米级体的壮举，解释了为什么反应需要的能量超过理论上应有的能量。在首次观察到单个水分子的这种翻转后，美国西北大学的科学家表示，下一步是找到控制它的方法。这样做可以提高反应的效率，从而更容易从水中生产氧气和氢燃

激光专家：Ezra Marker、Raiden Speelman 和 Franz Geiger 在拿着光谱电化学池的光谱仪前。（图片由西北大学 Camille Bridgewater 提供）

电极表面的水分子在放弃电子形成氧气之前会翻转——这是纳米级体的壮举，解释了为什么反应需要的能量超过理论上应有的能量。在首次观察到单个水分子的这种翻转后，美国西北大学的科学家表示，下一步是找到控制它的方法。这样做可以提高反应的效率，从而更容易从水中生产氧气和氢燃料。

水分解过程发生在包含水和金属电极的电化学电池中。当电压施加到电极上时，水通过两个独立的半反应分解成氧气和氢气。

问题在于，产生氧气的半反应，即析氧反应 （OER），困难且效率低下，并且消耗的能量比理论预测的要多。“它应该需要 1.23 V，”领导这项新研究的西北大学物理化学家 Franz Geiger 说，“但实际上，它需要的电压更多，比如 1.5 或 1.8 V。”他解释说，这种额外的能源成本是水分解没有大规模实施的原因之一。

在这项新工作中，Geiger 和同事想测试水中氧原子的方向是否会影响 OER 的动力学。为此，他们将 80 飞秒的红外 （1034 nm） 激光脉冲对准电极表面，在本例中，电极由镍制成。然后，他们测量了入射波长一半的反射光强度。

这种方法被称为二次谐波和振动和频产生光谱，它揭示了水分子在电极表面的排列取决于施加的电压。通过分析该电压循环时信号光子的振幅和相位，研究人员能够确定水分子是如何排列自己的。

他们发现，在施加电压之前，水分子是随机取向的。然而，在特定的外加电压下，它们开始重新定向。“我们还在解理和电子转移之前检测到水偶极子翻转，”Geiger 补充道。“这使我们能够区分翻转和后续反应步骤。”

研究人员对这种翻转的解释是，在高 pH 值下，由于存在失去质子的氢氧化镍基团，电极表面带负电。因此，水分子与面向电极的带正电的末端对齐。然而，这意味着包含 OER 所需电子（驻留在氧原子中）的末端远离电极。“我们假设水分子必须翻转才能将其氧原子与高应用电位的电化学活性羰基镍物质对齐，”Geiger 说。

他说，直到现在才探索过这个想法，因为水在红外范围内吸收很强，使其在相关频率下看起来不透明。通常使用的电极也太厚，红外光无法穿过。“我们克服了这些挑战，使电极足够薄以进行近红外传输，并使用水吸光度低的波长（所谓的'水窗'），”他说。

该团队面临的其他挑战包括设计可以测量二次谐波产生振幅和相位的光谱仪，以及开发光学模型来提取净对齐的水分子的数量及其翻转能量。“整个过程——从概念到发布——花了三年时间，”Geiger 告诉 Physics World。

该团队的研究结果在《科学进展》上进行了详细介绍，结果表明，控制水在与电极界面处的取向可以提高 OER 催化剂的性能。例如，经过工程改造以预先对准水分子的表面可能会降低水分解的动力学障碍。“结果还可以通过结合结构水能量学来改进电化学模型，”Geiger 说。“除了 OER 之外，水对准还可能影响其他反应，例如析氢反应和二氧化碳还原为液体燃料，从而可能影响多种能源相关技术。”

研究人员现在正在探索替代电极材料，包括 NiFe 和多元素催化剂。后者中的一些可以优于铱，铱传统上是性能最好的电催化剂，但非常稀有（它来自陨石），因此价格昂贵。“我们还在相关出版物（正在出版）中表明，水翻转发生在地球上丰富的半导体上，这表明其更广泛的适用性超出了金属，”Geiger 透露。

来源：人工智能学家