磁场重构水分子结构，大幅提升产氢效率

图片：通过振动斯塔克效应驱动的磁场界面羟基化反应促进碱性析氢反应

在加速迈向清洁能源的重大突破中，研究人员展示了一种强有力的新方法，可通过磁场重构水的分子结构，显著增强氢析出反应（HER）的效率。该研究成果已发表在《JACS Au》期刊上。研究表明，将水暴露在1特斯拉（T）的磁场中，会引发氢键网络的微妙但深远的变化，从而显著提升碱性电解过程中的产氢性能。

与以往依赖于改善质量传输的磁流体动力学（MHD）方法不同，该研究专注于界面水分子在分子层面的重构。研究团队利用振动斯塔克效应（VSE），增强了不对称键合的四面体水分子（被称为DDAA水）的占比，这种结构在HER过程中可支持更快的电子转移和质子供应。在工业碱性条件下，该策略使析氢过电位降低了50毫伏，电流密度提高了15.4%。

“我们的方法超越了传统的外场调控技术，”共同通讯作者王东表示，“它直接重塑了催化界面的氢键网络，这是加速质子耦合电子转移的关键。”

通过原位拉曼光谱、^17O核磁共振、紫外-可见光谱以及分子动力学模拟，研究人员观察到磁场诱导水分子转变为更弱的键合构型。尤其是DDAA型结构，有助于更快的质子交换，并改善催化剂表面氢氧化物水合络合物的形成。磁场通过洛伦兹力与VSE调节分子间相互作用，改变振动频率和氢键角度。

“关键在于认识到，水中的弱氢键可以通过稳定的磁场进行调控，从而降低HER中的能垒，”论文资深作者王志指出。

研究团队使用磁化水制备氢氧化钾（KOH）电解液，并在铂电极构成的电化学电池中进行测试。结果表明，磁处理后的电解液具有更低的电荷转移电阻，并显著增强了电极表面的氢吸附能力。该效应持续超过10小时，显示出磁场诱导的水结构变化具有良好的长期稳定性。

此外，在一个额定产氢能力为2 Nm³/h的中试规模电解池中进行验证实验时，研究人员观察到HER电流密度的持续上升，进一步验证了该方法的工业可行性。作者认为，这种磁场处理策略还可拓展至其他以界面水为关键因素的电催化体系，如氧析出反应和CO₂还原反应等。

该研究代表了一种可普适、可扩展的分子层面电催化界面工程方法，是氢能脱碳进程中的重要进展。

来源：

材料提供：美国化学会（ACS）。注：内容可能根据风格与篇幅有所编辑。

论文标题：
Magnetic Field-Driven Interface Hydroxylation via the Vibrational Stark Effect Boosts Alkaline Hydrogen Evolution Reaction

作者：
Xiayan Yao, Jianwei Guo, Zhi Wang, Guoyu Qian, XiangYu Wang, Dong Wang, Xuzhong Gong

发表期刊：
JACS Au, Article ASAP
DOI: 10.1021/jacsau.5c00585

期刊引用格式：
Yao, X., Guo, J., Wang, Z., Qian, G., Wang, X., Wang, D., Gong, X. (2025). Magnetic Field-Driven Interface Hydroxylation via the Vibrational Stark Effect Boosts Alkaline Hydrogen Evolution Reaction. JACS Au. DOI: 10.1021/jacsau.5c00585

翻译人：沈亚皓

来源：https://fuelcellsworks.com/2025/08/07/electrolyzer/magnetic-field-restructures-water-molecules-to-dramatically-boost-hydrogen-production-efficiency