近日，武汉大学物理科学与技术学院肖湘衡教授团队在Science China Chemistry上发表最新研究成果，该工作通过氦离子辐照缺陷限域实现CeO2表面单分散位点构筑，并进一步系统揭示了碱金属阳离子通过调控界面水及氢键网络连续性，进而影响电化学硝酸盐还原反应（NO3RR）性能的微观机制。该研究为高效电催化剂的设计提供了新的理论依据。
以水为氢源，在电能驱动下实现能源小分子向绿氢、绿氨等绿色燃料的直接制备，是可持续能源体系构建的关键环节。以硝酸盐还原制氨为例，该反应中电子转移及原子间成键耦合的过程发生在固液反应界面，但液相环境中氢键网络对NO3–加氢过程的物理调控机制尚不明确。
针对这一关键科学问题，研究团队首先采用氦离子辐照诱导缺陷限域策略，在二氧化铈（CeO2）表面成功构建了系列过渡金属单分散活性位点（M-CeO2-x，M = Fe, Co, Ni, Cu, Mn）催化体系。其中，Cu-CeO2-x在-0.6 V（vs. RHE）电位下实现了92.8%的氨法拉第效率及0.98 mmol cm-2 h-1的氨产率，展现出优异的NO3RR性能。在此基础上，研究团队通过调控电解液中碱金属阳离子种类（Li+、Na+、K+、Cs+），结合原位傅里叶变换红外光谱（in situ FTIR）与从头算分子动力学（AIMD）模拟，系统研究了界面水氢键网络结构的变化规律。结果表明，随着阳离子半径增大（Li+ < Na+ < K+ < Cs+），氢键网络连续性逐渐减弱，而NO3–加氢活性呈上升趋势。进一步通过在电解液中引入不同表面活性剂增强氢键网络连续性，证实过强的氢键网络会加剧竞争性析氢反应（HER），反而抑制NO3RR性能。
该研究建立了阳离子调控下界面水氢键网络与NO3RR活性之间的关系。这一发现不仅深化了对电化学界面水分子行为的理解，也为高效、高选择性硝酸盐还原电催化剂的设计提供了新思路。
该研究结果以“Cation-Modulated Hydrogen-Bond Networks in Electrochemical NO3– Reduction”为题在线发表于SCIENCE CHINA Chemistry。
文章链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s11426-025-3358-4
（通讯员：戴欢）
