電極触媒反応：in situラマン分光法によって明らかになった界面水の構造と解離

固体–液体界面の水の構造や動的過程の解明は、表面科学、エネルギー科学、触媒反応における極めて重要な主題である。モデル触媒として、原子レベルで平坦な単結晶電極は明確な表面特性や電場特性を示すため、これを用いれば構造と電極触媒活性の関係を原子レベルで解明できる可能性がある。従って、単結晶表面上の界面水の挙動を調べることによって、電極触媒反応を理解する枠組みが得られる。しかし、界面水は、バルク水による干渉や界面環境の複雑さのために、調べるのが難しいことがよく知られている。今回我々は、電気化学的in situラマン分光法と計算手法を用いて、原子レベルで平坦なPd単結晶表面の界面水を調べた。スペクトル的な直接証拠から、界面水が、水素結合した水と水和したNa⁺イオン水からなることが明らかになった。水素生成反応（HER）電位において、バイアス電位とNa⁺イオンの協同作用に起因して、界面水の構造がランダム分布から秩序構造へ動的に変化することが観測された。構造的秩序を持つ界面水は、界面における高効率電子移動を促進し、HER速度の高速化をもたらした。界面水に対する電解質と電極表面の効果も調べられ、これらが水の構造に影響を及ぼすことが見いだされた。従って、局所的カチオン調整戦略を通して、今回の結果を一般化して秩序界面水によって電極触媒反応を高速化できる可能性があると、我々は予想する。

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