近日，哈尔滨工业大学教授宋波团队与美国威斯康星大学麦迪逊分校教授金松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。相关成果发表在《自然化学》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。

本研究中，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。

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。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41557-025-01934-5