碱性水电解(AWE)是目前商业上最成熟的绿色制氢方法，但由于HER反应动力学缓慢，严重限制了其大规模部署。尽管铂(Pt)纳米团簇由于对活性氢中间体的优异吸附和转化能力而被视为HER的基准电催化剂，但碱性HER过程中的另一个Volmer步骤需要克服显著的水解离能垒。
与在酸性条件下直接还原质子相比，碱性HER需要额外的H-OH共价键断裂，导致反应活化能增加2-3个数量级。因此，有针对性地加快水分解步骤已成为突破水电解现有效率瓶颈、推动工业化发展的重要研究方向。
在这项研究中，清华大学伍晖和北京邮电大学黄凯等结合原位表征和电化学分析，系统地阐明了在宽电流密度范围内界面水的动态演变与电催化性能的相关机制。金属氢氧化物负载贵金属材料体系是碱性高分子材料的常用催化剂之一。
因此，为了研究的可扩展性，研究人员选择了Ni(OH)2负载的Pt催化剂(Pt@Ni(OH)2-NF)来研究界面自由水(IFW)对电极性能的调节。界面水调制策略的核心是在HER电位下反应位点与水分子之间的相互作用，利用Ni(OH)2在电化学电位下的相变破坏了原来的刚性氢键网络，从而诱导了界面水的结构演化。
通过在泡沫Ni (Ni(OH)2-NF)上的Pt纳米团簇周围引入Ni(OH)2，焦耳加热产生的高能环境促进了Pt与Ni(OH)2之间强电子耦合的形成，保证了高电流密度下电极的结构可靠性。
关键机制表明，在高电流密度下，易解离的IFW是克服传质限制的关键因素，而IFW形成的弱氢键网络保证了充足的质子供应，有利于高效的氢解吸。能够诱导形成弱氢键IFW的Pt@Ni(OH)2-NF表现出优异的HER性能，在过电位仅为114 mV的情况下达到1000 mA cm-2的电流密度，质量活性是商用Pt/C的83倍。
此外，基于Pt@Ni(OH)2-NF的碱性电解槽在1.67 V时达到500 mA cm-2的电流密度，显著优于使用Pt/C-NF的电解槽所需(1.96 V)。
综上，该项研究为界面水在高电流密度水电解中的作用提供了宝贵的见解，为优化质量传递过程和推进高性能催化剂的开发提供了有前景的策略。
Interfacial-free-water-enhanced mass transfer to boost current density of hydrogen evolution. Nano Letters, 2025.DOI: 10.1021/acs.nanolett.5c01235