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氧化物-水界面在自然界和现代工业应用中起着至关重要的作用，特别是在碳循环和电化学反应等领域。然而，由于氧化物表面埋藏较深，准确探测其分子级信息一直存在挑战。为了深入理解这些界面，本研究团队开发了一种原位和频振动光谱（SFVS）的新方法，用于探测液态水中的氧化物表面。通过应用这一技术，研究人员揭示了二氧化硅-水界面的非传统反应路径，并结合第一性原理分子动力学和自由能计算，发现了表面重构现象，带来了独特的五配位硅物种。
成果简介
该研究通过在硅氧化物-水界面上应用和频振动光谱（SFVS），成功探测到硅氧键在不同pH条件下的结构变化。实验表明，表面羟基在高pH下的去质子化引发了表面重构，形成了一个五配位的硅物种。这种新发现颠覆了对硅氧化物-水界面传统反应模式的理解，为未来进一步探索其他氧化物-水界面提供了新的方向。
研究亮点
新型原位SFVS方法：研究团队开发的SFVS方法能够高灵敏度地探测氧化物表面的振动模式，突破了传统光谱在液态水中的检测极限。
揭示了非传统的表面重构路径：实验结合计算发现，硅氧化物表面的重构与表面羟基的去质子化密切相关，形成了五配位的硅物种。
多角度验证：结合计算模拟和实验结果，研究团队验证了该重构路径的合理性，为深入理解氧化物界面化学提供了新视角。
配图精析
图1：展示了和频振动光谱的实验装置示意图，显示了红外光、近红外光与氧化物薄膜-水界面的相互作用方式，并通过计算表明SiO₂薄膜在特定厚度下的信号增强效果。
图2：展示了不同pH条件下的Si-O伸缩振动谱图。结果显示，随着pH的变化，Si-OH和Si-O⁻的振动模态逐渐变化，揭示了界面上表面基团的变化趋势。
图3：描述了通过分子动力学模拟揭示的SiO₂-H₂O界面反应路径。模拟结果显示，表面羟基的去质子化引发了五配位硅物种的形成，形成了独特的反应路径。
图4：展示了表面物种覆盖度随pH变化的计算结果。通过比较SiOH、SiO⁻和五配位硅物种的覆盖度，揭示了不同pH条件下氧化物界面的动态变化。
展望
本研究通过原位SFVS技术揭示了硅氧化物-水界面在不同pH条件下的结构演化，为重新审视氧化物界面的性质提供了重要依据。未来，该技术有望被推广至其他氧化物-水界面的研究，进一步推动表面科学和界面化学的发展。
文献信息
期刊：Nature Chemistry
DOI：10.1038/s41557-024-01658-y
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41557-024-01658-y
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