化學(xué)化工學(xué)院李劍鋒、程俊教授課題組在固液界面上研究水分子的構(gòu)型方面取得重大突破。相關(guān)研究成果“In situ probing electrified interfacial water structures at atomically flat surfaces”在線發(fā)表于Nature子刊《自然-材料》(Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-019-0356-x)。

自然界中水無處不在，人們對水分子的研究已經(jīng)長達(dá)一個多世紀(jì)。特別是在材料表面，從原子結(jié)構(gòu)層面理解界面水所發(fā)生的各種物理和化學(xué)過程，將有利于指導(dǎo)能源和環(huán)境領(lǐng)域中開發(fā)更好的技術(shù)和器件。特別是在電化學(xué)中，界面水的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，比如其在雙電層中的取向以及復(fù)雜的氫鍵網(wǎng)絡(luò)，對電極材料的電化學(xué)性能具有顯著影響。文獻(xiàn)中采用振動光譜已經(jīng)推知了水在金屬界面的不同構(gòu)型，如四配位水、三配位水、表面特性吸附水、自由水等。然而，仍然缺乏這些界面水在不同電位下清晰的構(gòu)型圖像。在原子級平整的單晶表面進(jìn)行光譜檢測，將有助于揭示界面反應(yīng)的機理和構(gòu)型相關(guān)的活性，對電化學(xué)能源界面的研究具有重要意義。李劍鋒教授課題組采用不受體相水干擾的表面增強拉曼光譜，首次在金（111）和（100）單晶電極表面上獲得了界面水的拉曼信號，并且在析氫反應(yīng)過程中原位觀測到了界面水的兩種構(gòu)型轉(zhuǎn)變。發(fā)現(xiàn)界面水隨著電位的負(fù)移，由“平行”結(jié)構(gòu)向“單端氫朝下”，再向“雙端氫朝下”變化。程俊教授課題組采用從頭算分子動力學(xué)理論方法，模擬出不同電位下，在雙電層中界面水的三種構(gòu)型以及相應(yīng)的氫鍵數(shù)目，與實驗數(shù)據(jù)很好地吻合，進(jìn)一步揭示了雙電層的原子級結(jié)構(gòu)。該研究首次在實驗和理論層面，將界面水的構(gòu)型轉(zhuǎn)變以及氫鍵斷裂與精確的電極電勢標(biāo)尺進(jìn)行關(guān)聯(lián)，對探知雙電層的三維結(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)性意義。

該研究工作通過廈門大學(xué)校內(nèi)合作完成，化學(xué)化工學(xué)院李劍鋒教授和程俊教授為通訊作者，田中群教授提供了重要指導(dǎo)。李超禹博士（現(xiàn)美國麻省理工學(xué)院博士后）和樂家波博士（現(xiàn)能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心博士后）為共同第一作者。王耀輝博士生在實驗上提供了幫助，物理系的陳舒博士和楊志林教授為本工作開展了電磁場增強計算。

該工作得到國家自然科學(xué)基金委（項目批準(zhǔn)號：21373166、21775127、21861132015、21522508、21521004、21427813、21321062、21621091、21533006）的大力資助，也得到了固體表面物理化學(xué)國家重點實驗室、譜學(xué)分析與儀器教育部重點實驗室、能源材料化學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心的支持。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41563-019-0356-x

化學(xué)化工學(xué)院

2019年05月05日