为解决催化剂水中毒的难题，本研究采用中红外刺激策略，突破了异相催化中界面有序水屏障，有望实现金属表面氧气吸附速率数十倍的提升。
导 读
纳米尺度下，水溶液中金属表面反应物的传送是异相催化中的关键步骤。本研究结合分子动力学、机器学习与电化学实验，通过引入中红外刺激策略，利用非热机制促使金属界面水结构由有序向无序转变，从而有效降低氢键网络对分子扩散的阻碍，显著提升氧分子在金属表面的吸附速率。该策略在室温条件下使理论氧还原反应活性提高了近50倍，开辟了调控界面水层、加速分子传输的新途径，有望为催化科学中水中毒问题提供新的解决方案。
图1 中红外光辐照的金属Pt表面氧气吸附率增强机制
水相体系中金属表面异相催化应用广泛，但其反应过程常受限于界面水层中的扩散，导致反应速率缓慢。金属界面水层中强氢键网络的存在，阻碍了反应物分子向金属表面活性位点的迁移，成为制约催化效率的关键因素，这也可能是催化剂水中毒失活的原因之一。为了解决这一问题，研究者们提出了多种调控界面水结构的策略，包括界面工程、溶剂调整和光控等。然而，这些方法在实际应用中存在稳定性差、选择性低以及操作复杂等问题。因此，如何高效地调控界面水层，降低其对反应分子传输的阻碍，以提升表面催化性能，已成为本领域的研究热点。
图2 1000 cm−1 的MIRS可以加速 O2 在金属表面的吸附，从而提高金属界面催化反应速率。(A) 对比有(with)和无(w/o)MIRS 的情况下水分子（红白色）和 O2 在 Pt(100) 表面吸附情况的侧视和俯视图，其中黄褐色、绿色和蓝色小球分别代表Pt原子、O2 分子和氢键（虚线）。(B) Pt(100) 表面吸附的 O2 数量随模拟时间t的变化。 (C) O2 分子在水溶液中靠近 Pt(100) 表面的自由能曲线
近日，上海大学理学院王春雷联合安徽工程大学、华东师范大学、上海理工大学、上海健康医学院和中国科学院上海高等研究院上海光源中心等多家单位，结合分子动力学、机器学习与电化学实验等多种手段，围绕氧气在水环境中Pt(100)的界面吸附过程展开研究。研究发现，适当频率(频率约为1000 cm-1)的中红外刺激(MIRS)可以诱导界面水分子共振耦合，水分子在共振过程中吸收足够的能量，挣脱氢键的束缚，从而破坏界面水的氢键网络，降低氧分子到达金属表面的能垒。理论和实验结果一致表明，在MIRS作用下，氧分子能大量、快速吸附于金属表面，如图1所示。根据阿伦尼乌斯公式估算，界面氧还原反应的活性增幅最高可达惊人的50倍左右，如图2所示。
图3 电化学实验证实了频率为1000 cm-1的MIRS非热地促进了 ORR 过程 (A) 实验装置的光路和电化学反应过程示意图，其中频率可调的量子级联激光器 (QCL) 作为光源，锌空气电池作为实验样品。(B) Pt/C 电极的形貌和元素分布分析。(C) Pt/C 电极的红外吸收光谱表征。(D) 基于恒电流放电，记录了电解质中环境溶解氧和饱和溶解氧情况下的锌空气电池放电电压。(E) 特定频率的 MIRS 显著提高了电池的放电电压。(F) 随着 MIRS 频率的变化，观察到激光功率和 MIRS 引起的放电电压提升的变化。
值得一提的是，上述理论预测在实验中得到了有效证实。如图3所示，为了验证MIRS对锌空气电池空气电极上氧还原反应（ORR）性能的提升，作者通过精巧的实验设计，利用量子级联激光器（QCL）产生频率可调的MIRS，对Pt/C电极进行照射，实现了频率精准调控共振激发。实验结果表明，在环境溶解氧条件下，1000 cm-1频率MIRS照射下放电电压显著提升，远超过1100-1150 cm-1频率下的电压增幅。上述实验在上海光源BL06B光束线站完成。
总结与展望
本研究提出了一种在室温下利用远程中红外刺激提升金属表面氧还原活性的新策略。该策略通过非热方式激发金属表面水分子的共振，破坏其氢键网络结构，显著降低氧气扩散能垒，使理论氧还原活性提高几十倍。该策略适用于多种金属表面的气体反应，具有远程操控、非热效应和易移植的特点，为催化、能源转换和气体传感等领域的新理论和新技术发展提供了重要启示。
责任编辑
杨皓程 浙江大学
本文内容来自Cell Press 合作期刊 The Innovation 第六卷第一期发表的Report文章“Boosting the oxygen reduction activity on metal surfaces by fine-tuning interfacial water with midinfrared stimulation” (投稿: 2024-05-15；接收: 2024-12-05；在线刊出: 2025-01-06）。
DOI：10.1016/j.xinn.2024.100754
引用格式：Zhang Q., Wu Y., Sun H., et al. (2025). Boosting the oxygen reduction activity on metal surfaces by fine-tuning interfacial water with midinfrared stimulation. The Innovation 6: 100754.
作者简介
王春雷 现任上海大学理学院教授。2000年-2004年就读于山东大学，2010年在中国科学院上海应用物理研究所获博士学位，并留所做博士后，2012年起就职于中国科学院上海应用物理研究所任助研、副研究员，2018年划转入中国科学院上海高等研究院任副研究员、研究员，2022年12月加入上海大学理学院。获中科院院长奖学金优秀奖，上海市优秀毕业生，2020年获国家优秀青年基金资助，2024年获上海市自然科学一等奖（第五）。
主要从事界面水相变行为研究，从比较简单均一的固体材料表面开始，再到复杂的柔性材料和生物分子，重点关注这些体系中表面结构诱导界面水的无序-有序相变特性，以及其如何主动参与和调控界面物理性质和生物分子功能，主要包括表面浸润性质、抗冻蛋白的结冰成核效应、双亲分子的溶解行为等。理论预测常温下“不完全浸润有序单层水”获后续实验理论证实。共发表文章90余篇，包括PNAS，PRL(2)，JACS, Nano Lett., Chem. Sci.等，主持面上项目2项和青年基金项目1项。
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期刊简介
The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球59个国家；已被151个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有200位编委会成员，来自22个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2023年影响因子为33.2，2023年CiteScore为38.3。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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