碱性电解质中的氢氧化反应(HOR)表现出明显慢于酸性电解质中的动力学，这对碱性交换膜燃料电池(AEMFCs)构成了关键挑战。碱性电解质中的动力学变慢通常归因于更缓慢的Volmer步骤(氢解吸)。研究表明，亲氧过渡金属(TMs)上表面吸附的羟基的存在(TM-OHad)可以显著增强Pt表面的碱性HOR活性，但TM-OHad的确切作用仍然是一个有争论的话题。
最近的理论研究表明，界面水取向在调节纯Pt表面的pH依赖性HOR动力学中起着关键作用。界面水构型一般有三种类型：H-down水(OH2↓)、O-down水(H2O↓)和平行水(H2O=)。H2O↓可以通过水分子O端与Pt-Had (Pt-Had•••↓OH2)之间的氢键增加氢的解吸速率，而OH2↓可以通过水分子H端与Pt-Had之间的斥力降低氢的解吸速率。
在碱性HOR条件下，由于零自由电荷(PZFC)点随着pH值的增加而发生正移，导致Pt表面的H2O↓(6.3%)远小于酸性条件下(13.9%)，从而导致较低的HOR活性。在这方面，理想的状态应该是TM-OHad可以调节界面水取向，从而间接调节HOR动力学。然而，表面水结构重组仍难以捉摸。
近日，美国加州大学洛杉矶分校段镶锋和黄昱等使用专门设计的超细(<1.5 nm)单原子Rh修饰Pt纳米线(SARh-PtNWs)作为模型催化剂，利用原位XAS来探测HOR电位区域下的详细表面结构，通过重组Pt表面水结构确定了Rh-OHad在提高Pt碱性HOR中的作用。
众所周知，PtRu系统具有比Pt显著增强的HOR活性，但在实际的更高过电位区域，其促进作用迅速减弱，这可能是由于Ru发生氧化。相比之下，由于Rh对氧化的敏感性较小，PtRh模型系统在这些更高的电位区域显示出高的HOR活性。
电化学研究表明，SARh-PtNWs的碱性HOR特异性活性(SA)显著增强，在碱性和0.05 VRHE下的比活性达到9.7±0.3 mA cm-2，是PtNWs的16倍。原位XAS分析揭示了单原子Rh位点上存在表面吸附羟基(Rh-OHad)，以及在HOR电位区域内Pt/Rh界面附近的H2O↓。
分子动力学(MD)模拟进一步揭示了Rh-OHad物种可以调节表面水结构，以促进Rh-OHad邻近的Pt原子周围的H2O↓构型。这种重定向的H2O↓，除Rh-OHad外，作为关键的Had受体进一步连接Pt-Had和Rh-OHad，形成能量有利的六元环状过渡态(TS)，使得Volmer步骤能垒显著降低，从而加速碱性HOR动力学。
Reorganizing the Pt surface water structure for highly efficient alkaline hydrogen oxidation reaction. Journal of the American Chemical Society, 2025. DOI: 10.1021/jacs.5c00775
段镶锋，博士，1997年获中国科学技术大学学士学位，2002年获哈佛大学博士学位。2002年到2008年，Nanosys Inc .负责先进技术开发的创始科学家，Nanosys Inc .是一家部分基于他的博士研究创建的纳米技术初创公司。2008年加入加州大学洛杉矶分校，并于2012年晋升为副教授，2013年晋升为正教授。研究领域包括纳米材料、器件及其在未来电子和能源技术中的应用。
黄昱，美国加州大学洛杉矶分校的终身教授。1999年本科毕业于中国科学技术大学，2003年博士毕业于哈佛大学，分别在劳伦斯-利弗莫尔国家实验室、麻省理工学院进行博士后研究。2006年开始在UCLA任助理教授，目前为UCLA材料科学与工程系终身教授、加州纳米研究所研究员。黄昱教授的研究工作已在Science、Nature、Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、Nature Chem.、JACS等国际顶尖学术期刊发表，引用超过30000次。