2024年6月，重点实验室李念兵、罗红群教授合作在《Energy and Environmental Sciences》（IF 32）上在线发表了题为“Enhancing neutral hydrogen production by disrupting the rigid hydrogen bond network on Ru nanoclusters through Nb₂O₅-mediated water reorientation”的研究论文。

研究背景

随着全球对清洁能源需求的不断增长，氢能作为一种高效、环保的能源载体，受到了广泛关注。然而，在中性条件下进行氢气生产时，催化剂的活性往往较低，这一问题成为实现实际应用的主要障碍。传统的催化剂如Ru纳米团簇在中性环境中的性能受限，主要原因是界面水分子层的刚性氢键网络阻碍了中间产物（如H₂O*/OH*）的传输。因此，如何有效提升中性条件下氢气生产的催化效率，成为当前研究领域亟待解决的问题。

研究内容

本研究通过使用第一性原理分子动力学和原位表面增强拉曼光谱技术，深入探讨了Nb₂O₅对界面水分子的调控作用及其对中性条件下氢气进化反应（HER）活性的影响。研究发现，电子丰富的Nb₂O₅能够通过改变H₂O分子的取向，破坏氢键网络，从而增加催化剂表面H₂O的可用性。实验结果显示，Ru/Nb₂O₅催化剂在中性条件下的活性显著提高，甚至在较高电流密度下超过了商业Pt/C催化剂的性能。

研究意义

本研究的创新之处在于首次揭示了Nb₂O₅介导的水分子重定向对Ru纳米团簇催化活性的影响机制，为构建耦合催化剂以激活界面水分子、提升中性条件下HER活性提供了新的思路。这一发现不仅有助于推动氢能技术的发展，也为设计新型高效催化剂提供了理论基础和实验依据，具有重要的科学价值和应用前景。