哈工大宋波教授团队合作在电催化水分解领域取得重要研究进展

（商艳凯 王然/文 航天学院/图）近日，我校航天学院复合材料与结构研究所、哈工大郑州研究院宋波教授团队与美国威斯康星大学麦迪逊分校金松（Song Jin）教授团队合作在电催化水分解领域取得重要研究进展。研究团队创新性地利用氢同位素标记技术结合电化学分析手段，精准揭示了水分解反应中质子转移的微观动力学机制，为设计高效制氢催化剂提供了全新的理论工具。相关研究成果以《同位素依赖性塔菲尔分析探究电催化水分解中的质子转移动力学》（Isotope-dependent Tafel analysis probes proton transfer kinetics during electrocatalytic water splitting）为题在线发表在最新一期《自然化学》（Nature Chemistry）上。

氢能被视为实现碳中和的关键能源载体，而电催化水分解制氢技术的核心瓶颈在于反应效率低。长期以来，研究人员难以直接观察水分解过程中质子（氢离子）在电极-溶液界面的转移行为，严重制约了催化剂结构设计的进一步优化。针对这一科学问题，研究团队通过将反应介质中的氢原子（H）替换为质量增加一倍的稳定同位素氘（D），利用同位素零点能的差异引起的催化性能变化研究质子传递的动力学行为。这种同位素替换导致O-H/O-D键振动频率显著降低，使得质子穿越电极-溶液界面的能垒变化可被精确捕获。

研究团队将同位素效应与传统电化学塔菲尔分析深度融合：当反应速率常数与活化能垒存在同位素依赖性差异时，通过建立全新的同位素-塔菲尔关联模型（Isotope-dependent Tafel Analysis），实现了对质子转移是否参与决速步骤的精准判断。该方法突破了传统动力学同位素效应分析方法易受热动力学因素干扰的局限，不仅能反映质子界面迁移、表面吸附等演化过程，还成功突出质子转移步骤在整体反应动力学中的贡献度，从而区分决速步骤的电化学或者化学特性。通过6种析氢催化剂和21种析氧催化剂的检验，研究团队论证了全新的同位素-塔菲尔关联模型在判别决速步骤特征方面具有普适性。该研究为下一代高效电解槽设计与性能优化提出了全新的评估标准和解决方案。

H/D同位素取代前后析氢反应动力学和塔菲尔斜率的变化关系

哈工大为论文第一完成单位和通讯单位，宋波教授、金松（Song Jin）教授与复旦大学青年研究员盛弘源等为论文共同通讯作者，航天学院博士毕业生黄金祯为论文第一作者。该研究获得国家自然科学基金项目、教育部前沿科学中心项目、黑龙江省头雁团队项目及哈工大郑州研究院院设科研项目的资助与支持。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41557-025-01934-5