李剑锋：固液界面水分子构型研究发表在Nature Materials

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李剑锋、程俊教授课题组在固液界面上研究水分子的构型方面取得重大突破。相关研究成果“In situ probing electrified interfacial water structures at atomically flat surfaces”在线发表于Nature子刊《自然-材料》(Nature Materials, DOI：10.1038/s41563-019-0356-x)。


自然界中水无处不在，人们对水分子的研究已经长达一个多世纪。特别是在材料表面，从原子结构层面理解界面水所发生的各种物理和化学过程，将有利于指导能源和环境领域中开发更好的技术和器件。特别是在电化学中，界面水的详细结构，比如其在双电层中的取向以及复杂的氢键网络，对电极材料的电化学性能具有显著影响。文献中采用振动光谱已经推知了水在金属界面的不同构型，如四配位水、三配位水、表面特性吸附水、自由水等。然而，仍然缺乏这些界面水在不同电位下清晰的构型图像。在原子级平整的单晶表面进行光谱检测，将有助于揭示界面反应的机理和构型相关的活性，对电化学能源界面的研究具有重要意义。李剑锋教授课题组采用不受体相水干扰的表面增强拉曼光谱，首次在金（111）和（100）单晶电极表面上获得了界面水的拉曼信号，并且在析氢反应过程中原位观测到了界面水的两种构型转变。发现界面水随着电位的负移，由“平行”结构向“单端氢朝下”，再向“双端氢朝下”变化。程俊教授课题组采用从头算分子动力学理论方法，模拟出不同电位下，在双电层中界面水的三种构型以及相应的氢键数目，与实验数据很好地吻合，进一步揭示了双电层的原子级结构。该研究首次在实验和理论层面，将界面水的构型转变以及氢键断裂与精确的电极电势标尺进行关联，对探知双电层的三维结构具有指导性意义。

该研究工作通过厦门大学校内合作完成，我院李剑锋教授和程俊教授为通讯作者，田中群教授提供了重要指导。我院李超禹博士（现美国麻省理工学院博士后）和乐家波博士（现能源材料化学协同创新中心博士后）为共同第一作者。我院的王耀辉博士生在实验上提供了帮助，物理系的陈舒博士和杨志林教授为本工作开展了电磁场增强计算。


该工作得到国家自然科学基金委（项目批准号：21373166、21775127、21861132015、21522508、21521004、21427813、21321062、21621091、21533006）的大力资助，也得到了固体表面物理化学国家重点实验室、谱学分析与仪器教育部重点实验室、能源材料化学协同创新中心的支持。

李剑锋，男，厦门大学化学化工学院教授。2003年本科毕业于浙江大学；2010年在厦门大学获得博士学位；2011-2014年分别在瑞士伯尔尼大学和瑞士苏黎世联邦理工学院从事博士后研究。主要研究领域为核壳纳米结构、表面等离激元、表面增强拉曼光谱、表面增强荧光光谱、电化学、界面(光、电)催化、便携式快检等。以第一作者或通讯作者身份在Nature、Nature Mater.、Nature Energy、Nature Protoc.、Nature Commun.、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Rev.等国际高水平学术刊物上发表论文100余篇，被他引6000余次，撰写英语书章节4部，授权专利5项。曾获全国百篇优秀博士论文奖、基金委“优青”基金、中国青年科技奖、入选中组部青年“****”和“万人计划”科技创新领军人才。
程俊教授，2002年获得上海交通大学学士学位，2005年获得上海交通大学硕士学位，2008年获得英国贝尔法斯特女王大学博士学位，之后在剑桥大学化学系做博士后，2010年获得剑桥大学Emmanuel College独立研究员职位，2013年在英国阿伯丁大学化学系建立课题组，2015年获得国家“青年##”计划资助全职回厦门大学开展科研工作，被聘为福建省“闽江学者”特聘教授。主要研究方向包括发展第一性原理方法模拟固体表界面的物理化学过程，并将这些方法应用于催化和电化学等能源相关体系。近期课题组也开始拓展实验方向，将理论计算和实验相结合。