一、復旦大學【導讀】
石墨烯憑借優異的唯單位物理和化學性質，為提升尖端電化學器件提供了途徑。料牛特別是復旦大學，石墨烯-電解質界面為研究電極-電解質界面提供了一個有前途的唯單位模型系統，其可以很容易地被各種光學和電探針訪問。料牛然而，復旦大學對石墨烯-電解質界面上存在的唯單位初始、中間和最終電化學反應物質的料牛理解受到在分子水平上分析這種界面的困難的限制。此外，復旦大學界面的唯單位內在分子結構也仍然不確定。主要問題是料牛界面處的物質容易受到用于支撐石墨烯的襯底誘導的外在因素的影響，或由石墨烯樣品制造過程中引入的復旦大學污染，這些因素可以極大地改變界面結構和反應過程。唯單位
二、料牛【成果掠影】
在此，復旦大學田傳山教授（通訊作者）等人開發了一種獲得厘米大小的單層石墨烯的策略，該石墨烯懸浮在水系電解質上，可以支持多根連接金屬線。這種無襯底的單層石墨烯（MLG）在電解質表面上直接制備，無需轉移過程。同時，作者使用和頻光譜的技術（SFVS），在界面處獲得了振動光譜，其中包括石墨烯和稱為雙電層的界面結構的貢獻，這種結構包含“斯特恩層”，離子和水分子與電極直接接觸，該層與反應過程中的能量和電荷轉移有關。借助和頻光譜和理論分析，最終得到了斯特恩層光譜和外加電壓的函數關系。
同時，作者明確地確定了在最頂層水分子的懸空氧-氫（O-H）鍵，表明石墨烯的疏水性。與空氣-水界面處懸空的O-H鍵相比，石墨烯-水界面處的O-H鍵具有更低的振動頻率和更寬的光譜峰值，表明懸空鍵與石墨烯之間的相互作用較弱。從斯特恩層光譜推斷出的水的氫鍵網絡在電解質窗口中幾乎沒有變化，在這個電壓范圍內，水分子不會分裂成氫和氧。然而，當電化學反應開始時，網絡發生了實質性的變化。此外，懸空的O-H鍵在析氫反應開始時消失，產生H2。這些觀察結果和其他觀察表明，最頂層的水層經歷了重大的結構變化，可能是由過量的中間物質和石墨烯旁邊的水分子重新定向引起的。
相關研究成果以“Structure evolution at the gate-tunable suspended graphene-water interface”為題發表在Nature上。
三、【核心創新點】
1.本文使用無襯底石墨烯樣品對于理解石墨烯-電解質界面的內在微觀結構非常重要，為研究石墨電極和電解質界面的界面物質及其反應動力學提供了理想的平臺。
2.本文借助和頻光譜和理論分析，最終得到了斯特恩層光譜和外加電壓的函數關系。
四、【數據概覽】
圖1 懸浮在水中的MLG? 2023 Springer Nature
圖2 懸浮的MLG的柵極可調性? 2023 Springer Nature
圖3 使用原位SFVS光譜研究石墨烯-電解質界面? 2023 Springer Nature
圖4 化學反應開始時的SF譜和循環伏安曲線? 2023 Springer Nature
五、【成果啟示】
綜上所述，作者使用無襯底石墨烯樣品對于理解石墨烯-電解質界面的內在微觀結構非常重要，為研究石墨電極和電解質界面的界面物質及其反應動力學提供了理想的平臺。作為石墨的2D構建塊，石墨烯具有卓越的特性，能夠開發多功能和可調諧的設備。例如，可以使用電催化劑（例如鉑和金納米顆粒）對其進行修飾，以提高電化學反應的速率。使用原位光學探針可以對電極-電解質界面的反應動力學產生有價值的見解。此外，作者沒有探索石墨烯-電解質界面的反應。為了揭示反應途徑，有必要確定中間物種的特征。例如，進一步研究導致析氫反應開始時懸垂的O-H鍵消失的因素，以及其他相關的光譜變化，將為石墨烯界面處析氫的機制提供見解。
文獻鏈接：“Structure evolution at the gate-tunable suspended graphene-water interface”（Nature，2023，10.1038/s41586-023-06374-0）
本文由材料人CYM編譯供稿。
