理论光谱计算和实验测量合力揭示石墨烯-水界面的微观结构

近日，厦门大学萨本栋微米纳米研究院/嘉庚创新实验室AI4EC Lab的汤富杰课题组与德国马普学会高分子研究所的Yuki Nagata和Mischa Bonn课题组合作，通过结合理论光谱计算和实验测量，研究了石墨烯-水界面的微观结构，取得了重要进展。相关成果发表在Angewandte Chemie International Edition 上。

石墨烯与水及水性电解质接触的界面在许多技术应用中都极为重要，这些应用包括海水淡化、能源存储与转换、化学感测、生物感测以及电催化等领域。理解石墨烯如何影响水分子的结构，例如其取向和氢键网络，如图1a所示，是掌握这些系统工作机制的关键。这种被介质包围的界面通常难以用常规实验手段探测，其界面信号经常被体相的信号所掩盖，因此难以进行解析。对于这类界面，一种常用的探测技术是和频光谱（HD-SFG）。目前，来自不同实验和理论团队对石墨烯-水界面相互作用的理解存在争议，关键争论点在于石墨烯是否会调制与其接触的水的微观结构。

图1. 石墨烯-水界面的示意图 (a)；石墨烯-水界面与纯水-空气界面的实验 (b) 与理论 (c) 和频光谱对比

该工作结合了实验测量、基于机器学习的势函数分子动力学模拟及光谱学计算，研究了石墨烯-水界面。研究团队使用HD-SFG光谱对悬浮的石墨烯/水界面进行了详细分析。实验结果显示，如图1b所示，从空气/石墨烯/水系统记录的光谱主要来源于与石墨烯接触的最顶层一到两层水分子，而石墨烯本身并未产生明显的光谱响应。这一发现与之前的研究结果形成鲜明对比，后者认为石墨烯对水分子结构有较大影响。同时，研究团队还利用基于机器学习的势函数的分子动力学模拟与光谱学计算，计算得到的理论光谱与实验结果高度一致，如图1c所示。理论分析表明，自由氢氧基团的特征峰频率轻微降低是由于石墨烯表面与水之间的范德华作用及氢原子与石墨烯的π-轨道相互作用。理论模拟进一步显示，石墨烯对水分子结构的影响非常有限，对顶层水分子的影响主要体现为微小的频率变化。

该研究的理论部分由厦门大学汤富杰副教授负责完成，实验部分则由德国团队承担。该论文得到了厦门大学提供的启动经费和嘉庚创新实验室AI4EC Lab提供的超算机时的支持。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Heterodyne-Detected Sum-Frequency Generation Vibrational Spectroscopy Reveals Aqueous Molecular Structure at the Suspended Graphene/Water Interface

Yongkang Wang, Fujie Tang, Xiaoqing Yu, Tatsuhiko Ohto, Yuki Nagata, Mischa Bonn

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, 63, e202319503, DOI: 10.1002/anie.202319503

研究团队简介

基于第一性原理模拟与光谱学计算研究不同环境下水的结构与动力学，是汤富杰博士在厦门大学新引入的研究方向。汤富杰博士的主要研究领域包括：1）复杂环境中的水科学研究；2）极端条件下的物性研究；3）理论光谱学计算；4）人工智能在软凝聚态物质模拟、电化学、光谱学等交叉学科的应用。他在水科学与界面科学等前沿领域解决过许多难题。自2024年1月加入厦门大学以来，他致力于结合厦门大学在光谱学与电化学实验测量的优势，进一步开发结合人工智能与第一性原理的多模态光谱精确计算新方法，旨在探索水科学的前沿问题并服务于各种能源化学的工况表征。

汤富杰博士的个人网站：

https://fujiepku.github.io/ 

汤富杰博士的学院官网网址：

https://sbd.xmu.edu.cn/info/1096/8589.htm 

AI4EC Lab官网：

https://ai4ec.ikkem.com/