你，相信光吗？

1928年，印度科学家钱德拉塞卡拉·拉曼在实验中发现，光通过介质时会发生非弹性散射，导致散射光的频率发生改变，这就是“拉曼效应”。这一发现让他在 1930 年获得了诺贝尔物理学奖。

而后来基于此诞生的拉曼光谱技术，正是以这位科学家的名字命名。

拉曼光谱技术能做什么？它就像一个特殊的“摄像头”，可以记录下分子振动的秘密，让肉眼看不见的微观过程变得可观测。

每个分子振动有着自己独特的频率，拉曼光谱的工作原理，就是利用这些“独一无二”的信息。当一束激光照射到分子上时会散射出光。这束散射光与入射光之间能量不同，而这个差异恰好对应着分子的振动频率。通过这些振动信息，科学家就可以判断出这是什么分子，以及它处于什么状态。

在化学研究中，很多关键反应发生在催化剂表面等微观界面，很难直接观测。而拉曼光谱能在反应进行时实时捕捉分子的振动变化。例如，在研究二氧化碳还原时，科学家可以通过拉曼光谱可以追踪到中间产物的振动信号，判断它们在催化剂表面的生成和转化情况，从而理解反应的具体路径。

这项技术应用范围很广，遍及化学、物理学、生物学和医学等各个领域。杨汶醒团队长期致力于能源电催化技术的谱学表征和机制研究。利用拉曼光谱这个“微观摄像头”，围绕二氧化碳和一氧化碳的电催化还原，团队展开了两项层层深入的探索。

团队的第一项研究是关于二氧化碳的催化。

在电催化中，铜是常见的催化剂，为了提高催化性能，科学家通常会加入吡啶类、咪唑类等分子修饰剂。但究竟哪种分子效果最好？这些“分子加速器”又是如何发挥作用的？这些问题一直悬而未决。

杨汶醒团队发现，给铜催化剂表面修饰一种叫“4-巯基吡啶”（4MPy）的小分子，能大幅提高乙烯的产量。

为什么？ 研究团队利用 “工况拉曼光谱”技术（这是一种在样品完全处于实际工作条件下进行分析的拉曼光谱技术）找到了答案。

传统的方法，需要把催化剂从膜电极里取出来检测，但是，这样会破坏真实的三相界面（固-液-气），测到的光谱可能和实际情况完全不同，导致对反应机理的错误理解。在这个过程中，他们创新性地开发了MEA型工况拉曼池，也就是说，通过在阳极板打开一扇“小窗”，使得拉曼激光穿透离子交换膜直接聚焦在阴极催化剂表面，进而实现在反应过程中直接的光谱观测。

在工业生产场景中，电催化反应往往在“固-液-气”三相界面进行 —— 催化剂（固体）、水（液体）和二氧化碳（气体）在这里相遇。在三相界面的特殊环境中，4-巯基吡啶会发生神奇的“变身”—— 从“硫醇形态”转变成“硫酮形态”。让催化剂表面变得更“疏水”（减少多余水的干扰），还能把二氧化碳分子“拉”到催化剂附近，减少浪费。

MEA三相界面处4MPy的共振转变促进生成C₂₊产物的机理示意图

更有趣的是，这种变化只在接近工业应用的装置（“固-液-气”三相界面）中发生。如果换用普通实验装置（“固-液”界面），小分子会直接“跑掉”，根本没机会发挥作用。

这项研究发现为优化铜基CO₂还原催化剂提供了新思路：通过设计具有电子诱导互变异构特性的分子（如硫醇-硫酮或亚胺-烯胺体系），可精准调控催化微环境。MEA独特的电化学界面特性，也为开发新型电化学反应体系、拓展至其他电化学研究领域开辟了道路。

如果说第一项研究揭开了工业场景中分子修饰剂的作用密码，那么团队的第二项研究则将目光投向了催化反应中更基础、也更易被忽视的关键角色 —— 水分子，探寻它们在一氧化碳还原中的微妙作用。

与第一项研究一样，研究团队研究使用铜作为催化剂，但一氧化碳如何 “选择” 生成乙酸而非其他产物，其中的分子机制仍不明晰。

电催化催化剂表面具有大量溶剂分子和电解液离子，这些水分子一直难以被观测，大众也并不了解它们如何具体影响催化反应。

水作为一种极为常见且至关重要的物质，拥有许多神奇的物理化学性质，比如水冻结成冰后，体积会膨胀，这种特性与大部分材料恰恰相反。或许破题的关键，就藏在这些看似普通的水分子中。

团队利用原位拉曼光谱技术（可在反应发生时直接检测样品，捕捉分子振动的动态信息），观察到铜催化剂表面的水分子结构会根据电压变化发生变化：有的水分子形成紧密的 “氢键网络”，有的松散分布，还有的会与电解液中的阳离子 “牵手”……

通过对界面水分子的拉曼信号观测，团队发现电极表面吸附的羟基（OHad）之间，与电解质阳离子之间存在着一种复杂的非共价相互作用，在催化剂表面形成“OHad…M⁺(H₂O)ₙ复合物”结构。这会让导致一氧化碳更容易被这些富集在催化剂表面的OH物种进行亲核进攻，从而选择性地转化为乙酸，而不是乙烯或乙醇。

非共价相互作用形成的局域OH^-…M⁺(H₂O)_n促进CORR生成乙酸盐的机制

这项研究的重要意义在于，通过原位光谱技术实时探测界面水分子结构，首次解析了电极表面非共价相互作用的动态演变过程，从而揭示了催化反应选择性的微观调控机制。这一发现也表明，理解和理性设计这类非共价相互作用，为未来精准控制电催化过程开辟了新途径，展现出巨大的应用潜力。

科学的突破，往往始于对“微小”的追问。

在能源与环境的双重挑战下，如何将二氧化碳这些常见的温室气体，转化为乙烯、乙酸等高价值化学品，是科学家持续探索的重要课题。当我们掌握小分子修饰剂如何调控界面、水分子如何影响产物选择，不仅可以开始精准设计高效催化剂，也离温室气体能更高效地变身为高价值化学品更近了一步。

而这些对微观世界的解码，最终将汇聚成破解宏观难题的力量，从实验室里跳动的光谱信号，到未来工业生产线上的高效绿色转化，或许，这些技术此刻正在某个实验室里发酵、催化。

论文信息：

7月2日，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料研究中心杨汶醒团队在PNAS发表了题为“Operando Raman characterization of unique electroinduced molecular tautomerization in zero-gap electrolyzers promotes CO₂ reduction”的研究论文。西湖大学理学院、人工光合作用与太阳能燃料中心特聘研究员杨汶醒为文章通讯作者，西湖大学博士生李羚为文章第一作者。

论文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2418144122?sessionid=

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8月19日，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料研究中心杨汶醒团队在Nature Catalysis发表了题为“Resolving Non-Covalent Interactions Between Surface Hydroxyl on Cu and Interfacial Water in Alkaline CO Electroreduction”的研究论文。西湖大学理学院、人工光合作用与太阳能燃料中心特聘研究员杨汶醒为文章通讯作者，西湖大学博士生刘起良为文章第一作者。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-025-01396-5

更多信息点击查看：https://science.westlake.edu.cn/newsevents/news/202508/t20250819_57608.shtml