全文概要
美国宾夕法尼亚大学Joseph S. Francisco、国家纳米科学中心施兴华及香港城市大学Xiao Cheng Zeng研究团队 通过多尺度分子动力学模拟，系统研究了不同阴离子（F⁻、Br⁻、NO₃⁻、SO₄²⁻）在单原子催化剂（SAC）电极/电解质界面对氢键网络结构及其对水解离反应动力学的调控机制。研究发现，界面处存在两个氢键缺失区域（HGR-I 和 HGR-II），其氢键连通性强烈依赖于阴离子种类与电极电位。NO₃⁻因与电极存在π–π相互作用而具有较强的吸附能力，显著改变界面水结构与氢键路径。此外，阴离子通过调控局部氢键环境的对称性，影响水分子的活化能垒，进而调节水解反应速率，其作用顺序为Br⁻ > H₂O > SO₄²⁻ > NO₃⁻ > F⁻。
本文要点
界面氢键结构： 在SAC电极界面识别出两个氢键缺失区域，其形成与阴离子吸附行为密切相关；强吸附阴离子（如NO₃⁻）在负电位下仍能维持较高氢键连通性。
阴离子调控机制： 阴离子通过改变局部水分子排列与氢键对称性，影响质子传递路径与反应能垒；非特异性吸附的阴离子可充当反应抑制剂或共催化剂。
电位与浓度依赖： 氢键连通性随电位与电解质浓度变化显著，阴离子吸附强度顺序为NO₃⁻ > SO₄²⁻ ≈ Br⁻ > F⁻。
反应动力学影响： 阴离子诱导的氢键不对称性可显著改变水解反应自由能，为通过电解质工程设计优化SAC电催化性能提供理论依据。
文献详情
Kaiwei Wan, Yunxiao Cui, Joseph S. Francisco, Xinghua Shi, Xiao Cheng Zeng. Unravelling the Effects of Anions on the Vicinal H-Bonding Network near an Electrode and Activity of Single-Atom Electrocatalysts, J. Am. Chem. Soc. (2025) DOI: 10.1021/jacs.5c11019
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c11019
