仿生工程：通过模拟界面氢键网络促进质子转移，以提高高性能碱性水电解的效率

氢能储运关键材料研究取得突破：通过生物模拟策略将鞣酸分子锚定在Ni(OH)?表面，重构双电层氢键网络，形成稳定的质子传输通道，显著降低析氢反应的质子-电子偶合转移势垒。实验证实该催化剂在1.68V下实现0.5A/cm2电流密度，持续250小时产氢效率保持83%，为双电层储能材料设计提供新范式。

　　

摘要

氢能作为一种零碳排放且高密度的能源载体备受关注，其中氢的生成反应是水电解过程的核心。电双层（EDL）中的氢键网络对反应动力学有显著影响，然而界面水分子、质子传输路径与电极结构之间的动态相互作用仍不明确。本文受到植物细胞中单宁酸（TA）自然质子调控行为的启发，提出了一种仿生策略，利用改性后的Ni(OH)₂重构EDL中的氢键网络。实验和理论研究表明，单宁酸能够建立稳定的氢键网络，并通过Grotthuss机制降低质子-电子耦合传输的障碍。原位表面增强红外光谱和分子动力学模拟揭示了单宁酸对Ni配位结构的调控作用以及界面水分子的稳定作用。优化后的Ni(OH)₂-TA催化剂在阴离子交换膜电解槽中于1.68 V电压下可实现0.5 A cm^?2的电流密度，持续稳定运行250小时（产电效率达83% @ 0.1 A cm^?2）。这项工作强调了有机配体驱动的EDL氢键工程作为一种通用策略，它将原子层面的设计与宏观性能紧密联系起来。

图形摘要

单宁酸（TA）与Ni(OH)₂结合，调控了界面氢键网络，从而促进了更有序的质子传输环境。这增强了通过Grotthuss机制的质子跳跃，降低了氢生成反应（HER）中的质子-电子耦合传输（PCET）障碍，并通过稳定电双层（EDL）中的活性氢键结构显著提高了催化活性。

利益冲突

作者声明不存在利益冲突。