近日，漫蛙漫画 2022级应用物理专业本科生沈均昊，在高国华长聘副教授指导下，在国际期刊《应用物理学杂志》（Journal of Applied Physics）上发表题为“Hydration engineering of WO₃ for optimizing hydrogen spillover: A first-principles guided approach to boost alkaline HER”的研究论文，实现了层间水对氧化钨HER反应的影响机制的探究。

氢能因清洁高效而备受关注，而碱性析氢反应（HER）因需先裂解水分子而动力学受限。氢溢流效应通过多活性位点协同催化，可有效解耦水裂解与氢复合，是提升HER性能的重要策略。三氧化钨（WO₃）具有易还原与高效氢迁移特性，是理想的氢溢流载体，但其本征过强的氢吸附反而抑制氢气生成，因此需通过结构调控改善其性能。虽然层间水被发现能促进WO₃的质子传输，但其在原子尺度上影响HER的具体机制仍不清晰，限制了高效水合WO₃催化剂的优化设计。

针对上述问题，本论文通过第一性原理计算，系统揭示了层间水在WO₃催化HER反应中的关键作用与微观机制。研究构建了系列水合度可控的WO₃模型，发现水分子插层能显著优化氢吸附能，使其从-2.513 eV（WO₃）减弱至-0.609 eV（WO₃·H₂O），并同步将氢脱附能垒从2.181 eV大幅降低至0.308 eV(见图1)。电子结构分析(见图2)表明，该调控源于层间水引起的费米能级附近态密度降低及氢原子s轨道中心上移，从而削弱了表面与氢的耦合强度。本研究的关键突破在于揭示了层间水对HER反应步骤的“双重调控”机制：它在促进氢脱附的同时，也提高了水裂解步骤的能垒。这一发现明确了在设计WO₃基协同催化体系时，应规避依赖其进行水裂解的反向氢溢流路径，转而利用其优化的正向氢溢流能力。该成果为通过“水合工程”精准设计高效HER催化剂提供了坚实的理论依据与全新的设计思路。

沈均昊作为论文第一作者，自大学一年级起便在高国华老师指导下进入课题组学习，在物理拔尖创新基地优良学风的影响下，长期坚持开展科创课题研究。期间，他以基于第一性原理研究纳米氧化钨表面分子动力学研究为主题完成漫蛙漫画 大学生创新实践训练计划（SITP）项目，获得了国际大学生物理竞赛银奖；依托课题组实验室条件，与论文第二作者的王同德博士生紧密合作，最终完成了该论文的创新研究工作。在课题组严谨的学术氛围中，沈均昊接受了系统的科研训练，在机理分析、仿真计算和数据分析等多个方面得到了充分指导，积累了扎实的科研能力，目前已保研至清华大学攻读博士研究生。

漫蛙漫画 为论文第一单位，漫蛙漫画 高国华长聘副教授为论文通讯作者，对论文作出重要贡献的合作者还包括青年教师张增海和博士生王同德。该研究工作获得了国家自然科学基金等基金项目的资助。

论文链接：//doi.org/10.1063/5.0287216

图1. 氧化钨模型表面HER反应路径示意图及自由能台阶图

图2. 氧化钨模型态密度(DOS)以及投影态密度(PDOS)计算