近日，在线直播-直播av-线上直播 张礼知教授团队在自然综述·化学《Nature Reviews Chemistry》在线发表了题为“Interfacial hydrogen transfer for heterogeneous catalysis”的综述论文。该工作构建了围绕质子、原子氢、氢负离子等活性氢物种的界面氢转移统一理论框架，系统探讨了氢键网络介导质子转移、原子氢溢流、氢负离子转移等过程在环境、化学、能源领域众多非均相催化反应中的关键作用，为高性能氢转移催化剂设计提供指导方案。论文第一作者为在线直播-直播av-线上直播 博士研究生郑谦，通讯作者为在线直播-直播av-线上直播 么艳彩副教授和张礼知教授，第一完成和通讯单位均为在线直播 在线直播 。
研究背景
在非均相催化体系中，界面氢转移（Interfacial hydrogen transfer, IHT）涉及质子(H+)、原子氢(H·)和氢负离子(Hδ-)等活性氢物种在催化位点与反应介质之间的动态穿梭，是决定众多催化反应活性与选择性的核心过程。目前，学界围绕IHT已经开展了持续且深入的研究（图1），但现有的工作仍主要以碎片化的视角切入，聚焦于单一机制（如氢溢流、氢键网络）或特定的应用场景（如析氢反应、水系电池），缺乏对不同IHT路径的系统性比较与统一认识。这种分散的研究格局使得诸多关键争议长期缺乏定论，且在涉及多种IHT过程耦合的复杂反应体系中留下知识空白。
图1 质子、原子氢、氢负离子等活性氢物种的界面氢转移研究历程
针对上述挑战，该工作构建了涵盖氢键网络介导质子转移、原子氢溢流，以及氢负离子转移等过程的界面氢转移统一理论框架（图2），系统阐释了这些活性氢物种的生成、界面迁移与反应利用过程，明确了不同IHT路径的适用边界条件与构效关系，并提炼出面向高性能氢转移催化剂的普适性设计原则。该工作为理解复杂催化体系中的氢转移过程提供了系统性视角，有望推动活性氢介导的环境、化学、能源等领域非均相催化反应的研究发展。
图2 界面氢转移的统一理论框架
研究内容
质子具有全空的H1s轨道和强亲电性，主要参与质子耦合电子转移（PCET）和亲电反应，以及调节局域环境pH。质子生成主要涉及水解离和电荷分离两类路径。其中，水解离主要通过金属化合物表面的强路易斯酸碱位点和表面缺陷（图3a，b）实现，而原子氢的电荷分离则常发生在氢燃料电池的氢氧化反应（图3c）以及氢水同位素交换反应中。由于在生成位点产生的质子通常与催化利用位点或目标反应介质在空间上彼此分离，因此需要利用氢键网络等途径实现质子的高效界面传递。
氢键网络介导的质子转移主要包括Grotthuss 和Vehicle两类机制（图3d、e），其中Grotthuss机制通过氢键和O-H共价键的连续断裂与重组实现质子的正电荷在氢键网络中的快速迁移。Vehicle机制则依赖于水合质子（如H3O+、H5O2+）在空间中的物理扩散实现质子输运。这两种机制相互补充，共同决定了不同相态水环境中的质子传导行为（图3g）。
图3 质子的生成过程以及氢键网络介导的质子转移过程
氢键网络介导的质子转移过程很大程度上受到氢键网络连通性的影响（图4a，红色箭头）。其中，外界电场、阳离子效应，以及材料与水分子的相互作用共同决定材料表面水分子的吸附构型（图4a(ii)），这些吸附构型进一步决定吸附态水分子参与氢键的能力（图4a(i)）。其中，氢朝上构型提供更多的氢键供体，有利于强氢键水（如四氢键水）的生成，促进高效的Grotthuss机制的发生。而氢朝下构型则仅能提供氢键受体，会导致弱氢键水的生成（如二氢键水），可能导致较为低效的Vehicle机制贡献增大。这一系列因素直接决定了材料表面的微观氢键网络连通性。此外，材料表面与溶液介质的质子传输还受到宏观氢键网络连通性的影响（图4a，蓝色箭头）。不论电催化还是非电催化体系，催化剂表面的近吸附层中都可能出现水分子密度骤减、氢键连通性下降的区域，也就是所谓的氢键缺陷（H-bond gap）。当材料表面与吸附层的水分子呈现过强的相互作用时，会削弱该吸附层水分子与近吸附层其他水分子形成氢键的能力，这会导致局域水分子密度的降低以及氢键缺陷的出现（图4a(iii)）。此外，阴极表面的水合阳离子也会进一步加剧氢键缺陷的产生。这种氢键缺陷的存在会严重阻碍材料与溶液介质之间的质子交换。基于上述对宏观、微观氢键网络连通性的认识，可以进一步将氢键网络介导的质子转移分为活性位点间质子迁移、催化剂与溶液间质子交换、羟基等官能团介导的质子继电，以及水分子介导的质子跳跃等过程（图4b-f）。
图4 宏观与微观氢键网络连通性，以及氢键网络介导的质子转移过程
原子氢具备强还原性和自由基特性，主要参与析氢反应、自由基反应、加氢以及还原脱卤过程。非均相催化反应中的原子氢生成主要包括氢气均裂和质子还原两类路径（图5a，b）。氢溢流涉及原子氢在金属-载体界面的迁移过程（图5c），载体涵盖金属、碳、可还原与不可还原基底（图5d-k）。由于氢溢流过程中原子氢通常需要从强氢吸附位点（富氢区域）迁移至弱氢吸附位点（贫氢区域），因此构建金属-载体界面的氢化学势梯度（即提高氢覆盖度差异）至关重要，且需要尽可能降低界面处起点和终点的氢吸附能差异，以缩小氢转移的热力学和动力学能垒。
图5 原子氢的生成过程以及氢溢流介导的原子氢界面转移过程
氢负离子主要参与亲核反应以及加氢、还原过程。该类反应的难点在于Hδ-的高效界面生成，主要通过氢气异裂和金属氢键 (M-H) 化学转化两类路径实现。其中，氢气异裂路径通常发生在材料表面的受阻路易斯酸碱对上，通过空间相邻的路易斯酸和路易斯碱将氢气异裂为质子和氢负离子（图 6a）。对于金属氢键转化路径，碱金属、碱土金属和镧系元素（如Ce）较氢元素更低的电子亲和力使其M-H发生自发的电子重排，形成表面的M-Hδ-（图 6b, c）。相较之下，过渡金属与氢元素的电子亲和力相近，其形成的共价性M-H则需要通过电化学极化的方式转变为M-Hδ-（图 6d, e）。
图6 氢负离子生成以及界面转移
对于IHT反应而言，界面氢转移的效率显著影响反应中间体的演化过程（图 7）。如二氧化碳还原反应中，高氢转移效率倾向于生成一碳产物，而低氢转移效率和高表面*CO覆盖度则会导致多碳产物的生成。类似地，高氢转移效率会促进硝酸盐还原到氨（相对于氮气），以及氧还原到水分子（相对于双氧水）的过程。因此，除了影响反应活性，界面氢转移在调控反应选择性的过程中同样起到关键作用。
图7 界面氢转移效率与二氧化碳还原、硝酸盐还原、氧还原反应选择性的关联
原文信息：Qian Zheng et al., Interfacial hydrogen transfer for heterogeneous catalysis. Nat. Rev. Chem. 2026, doi.org/10.1038/s41570-026-00875-y.
作者简介
郑谦，在线直播-直播av-线上直播 2023级博士研究生。研究方向为原子氢驱动的电化学水污染控制。以（共同）第一作者在Nat. Rev. Chem.、JACS、Angew等学术期刊发表SCI论文4篇，授权中国发明专利1项。
么艳彩，在线直播-直播av-线上直播 副教授、博士生导师。从事电化学水污染控制技术与理论研究。以第一/通讯作者身份在Nature Catalysis、Nature Synthesis、Nature Reviews Chemistry、Nature Communications、Science Advances、JACS、PNAS、ES&T、WR等期刊发表SCI论文30余篇，6篇入选ESI高被引论文，部分研究成果被Technology Times、EurekAlert!、新华社、人民日报等多家国内外主流媒体专题报道。授权中国发明专利4项，并成果转化2项。撰写领域内英文专著1部。曾获斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家榜单”、在线直播 “青年岗位能手”、ACS年会优秀研究生导师奖、中科院“百篇优博论文”、中科院院长优秀奖等。先后主持国家自然科学基金青年项目（B类、C类）和面上项目、科技部重点研发计划项目子课题等项目。现任Colloid and Surface Science编委、Chinese Chemical Letters、Ecoenergy、National Science Open青年编委。
张礼知，在线直播-直播av-线上直播 特聘教授，国家级人才入选者，湖北省高层次人才工程第一层次入选者（2012），湖北省高端人才引领培养计划第二层次入选者（2012），教育部新世纪优秀人才支持计划入选者（2007），洪堡学者（2006-2007，德国马普胶体与界面所）。已获授权中国发明专利50余项，其中授权美国专利2项。在Nature Sustainability、Nature Synthesis、Nature Reviews Chemistry、Nature Communications、Chem、PNAS、JACS、Angew. Chem.、AM、ES&T、WR等国际学术期刊发表论文430多篇，其中38篇入选ESI高被引论文，2篇入选ESI热点论文。论文已被引用52800多次，其中他引51300多次，H因子131。担任中国环境科学学会生态环境功能材料委员会常委委员和可持续发展专业委员会委员、英国物理学会出版社旗下期刊Sustainability Science and Technology执行编委，化学学报、化学进展、环境化学、环境科学等杂志编委。2008年获得湖北省自然科学二等奖（第一完成人），2014年起连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单，2015年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学二等奖（第一完成人），2018年-2023年连续入选科睿唯安交叉领域全球高被引科学家榜单，2024年起连续入选科睿唯安化学领域与环境和生态领域全球高被引科学家榜单，2019年获湖北省自然科学一等奖（第一完成人）。