首先，我们系统地总结了可变形催化剂的自适应催化性能以及在催化HER过程中各种微纳米结构的演变。其次，我们概括了一系列基于低维纳米材料机械柔性的设计高活性催化剂的策略。最后，我们提出了关于电催化剂柔性和可变形微纳米结构研究的挑战与前景，这将进一步加深对可变形HER催化剂催化机制的理解。
核心参与者：界面水分子是析氢反应（HER）中的关键参与者，对反应机制有重要影响。
影响电催化性能：在电催化系统中，水分子和离子共同影响着界面反应过程，从而影响电催化性能。
02 研究界面水的挑战
本体水分子的干扰：本体水分子的存在会干扰对界面水的研究，使得准确分析界面水的行为和作用变得困难。
界面环境的复杂性：界面环境的复杂性增加了研究界面水的难度，包括电极/电解质界面的氢键网络、电场影响等。
1.原位光谱技术：如表面增强红外吸收光谱（SEIRAS）和表面和频振动光谱（SFG）等，这些技术可以提供关于界面水和阳离子的微观结构和动力学的信息。
SEIRAS：Shao等使用SEIRAS研究了Pt表面上界面水的pH依赖性。
SFG：Benderskii等发现石墨烯表面在电场下界面水的不对称响应。
2.分子动力学模拟：通过构建模拟单元，研究界面水在不同条件下的结构和动力学行为。
模拟单元构建：构建包含三层（4×4）和（2×2）平板的模拟单元，一侧平板上有40和10个显式水分子，真空层为15 Å。
3.密度泛函理论（DFT）计算：用于研究阳离子（如Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺）和水分子在Pd（111）电极表面的吸附性能。
吸附性能：发现HB水分子和水合阳离子位于Pd（111）表面，与拉曼结果一致。
氢原子数量：Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Sr²⁺系统中界面水分子与Pd（111）电极之间的氢原子数量分别为4、6、7、7、8。
04 图文导读
05 界面水的结构与动力学
1.水分子结构变化：随着阳离子半径和价态的增加，界面水分子的结构发生变化，形成两个氢原子指向电极表面的结构（two-H down结构）。
2.角度分布：计算了位于Pd表面和阳离子之间界面处水分子的角度分布，发现当OH键方向与表面法线的角度为52.25°时，水分子中的两个氢原子最接近电极表面。
06 界面水在HER中的作用机制
1.加速HER速率：具有two-H down结构的水分子可以加速HER速率。
2.吉布斯自由能计算：计算了不同阳离子系统中界面水分子解离反应的吉布斯自由能，发现HER活性在较高价态和较大半径阳离子电解质中表现更好。
07 催化剂设计与优化
1.变形催化剂：利用多层MoS₂的机械灵活性，通过简单的石蜡辅助折叠过程制备了具有单层界面的多层MoS₂微结构超晶格（MSLs）结构，提高了HER性能。
2.纳米卷：Yuan等通过DFT证实了层间受限的纳米卷在受限金属活性中心对酸水分裂表现出更有利的吸附强度和更高的催化活性。
3.表面工程：对铂钴纳米线进行表面工程处理，以及设计Janus结构的FeP–CoP等，以提高电催化性能。
08 未来展望与挑战
深入理解机制：需要进一步深入理解界面水的结构、动力学及其与各种阳离子的相互作用机制。 高效催化剂设计：基于当前研究，设计更高效、更稳定的电催化剂，以提高HER的能量效率和反应速率。 跨学科合作：需要跨学科合作，结合电化学、材料科学、理论计算等领域的最新进展，共同推动HER研究的发展。
综上，界面水分子在析氢反应中发挥着至关重要的作用。尽管研究界面水面临诸多挑战，但通过原位光谱技术、分子动力学模拟和密度泛函理论计算等方法，我们逐步揭示了界面水的结构和动力学行为及其在HER中的作用机制。未来，随着研究的深入和跨学科合作的加强，我们有望设计出更高效、更稳定的电催化剂，推动氢能技术的发展和应用。
▲可编程双模组膜电极喷涂机
