近日，吉林大学物理学院李全教授与南方科技大学周院院副教授合作在过氧化氢电合成机理研究方面取得新进展。相关研究成果以“Alkali Metal Cations Induce Pseudo-Outer-Sphere Oxygen Reduction Reaction Mechanism in Electrolyte-Catalyst Synergy”为题，于2025年9月15日在线发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。
氧还原反应是能源转化技术的关键环节，却长期面临反应迟缓、产物难控的难题。科研界早已发现，在电解液中引入碱金属阳离子能显著提升过氧化氢（H2O2）的生成效率。然而，阳离子在原子尺度上的真实作用方式，一直是未解之谜。核心争议集中在两个问题：一是“高活性”问题，当催化剂表面被水分子覆盖、反应物难以接近时，阳离子如何加快反应？二是“选择性”问题，作为溶液中的离子，它们又如何调控反应路径，避免H2O2被过度还原？
研究团队利用恒电位下的分子动力学模拟方法，构建了电极界面的反应环境，揭示出碱金属阳离子在反应中的原子级动态行为，提出了“赝外球”反应机理。研究发现：阳离子会与氧分子先形成络合物，而催化剂表面的水分子则充当“桥梁”，向溶液相中的络合物直接传递电子与质子。这一机理直击两大核心难题：其一，反应核心区域由表面拓展至溶液，绕开了水分子对活性位点的阻塞，从而显著提升反应速率；其二，产物 H2O2在溶液中生成并迅速脱附，避免了在催化剂表面的过度还原，保证了反应的高选择性。
该研究表明：电解液中的阳离子并非只是调节界面电场、在一旁观望的“配角”，而是能够与氧分子结合，并借助水分子的“桥梁”直接参与电子与质子的转移，成为打开高效反应的“开关”。这种“电解液–催化剂协同”机制为高效 H2O2电合成和清洁能源催化剂的设计提供了新思路。
图1. 碱金属阳离子诱导的赝外球反应机理示意图
论文第一作者为吉林大学物理学院2024级博士研究生田玉苗，通讯作者为吉林大学物理学院李全教授和南方科技大学物理系周院院副教授。该研究工作得到了国家自然科学基金等项目资助。
全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c12947
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