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Mar 01, 2024

Evolución de la estructura en la puerta.

Nature (2023)Cite este artículo 1 Detalles de Altmetric Metrics El electrodo de grafito se usa comúnmente en reacciones electroquímicas debido a su excelente conductividad en el plano, robustez estructural y

Naturaleza (2023)Cita este artículo

1 altmétrica

Detalles de métricas

El electrodo de grafito se usa comúnmente en reacciones electroquímicas debido a su excelente conductividad en el plano, robustez estructural y rentabilidad1,2. Sirve como soporte principal de electrocatalizador, así como como matriz de intercalación en capas2,3, con amplias aplicaciones en conversión y almacenamiento de energía1,4. Al ser el componente bidimensional del grafito, el grafeno comparte propiedades químicas similares con el grafito1,2, y sus propiedades físicas y químicas únicas ofrecen más variedades y capacidad de ajuste para desarrollar dispositivos de grafito de última generación5,6,7. Por lo tanto, sirve como una plataforma ideal para investigar la estructura microscópica y la cinética de reacción en las interfaces de electrodos de grafito. Desafortunadamente, el grafeno es susceptible a diversos factores extrínsecos, como el efecto sustrato8,9,10, lo que genera mucha confusión y controversia7,8,10,11. De este modo, hemos obtenido grafeno monocapa sin sustrato de tamaño centimétrico suspendido sobre una superficie de electrolito acuoso con capacidad de sintonización de puerta. Utilizando espectroscopia de suma de frecuencias, aquí mostramos la evolución estructural versus el voltaje de compuerta en la interfaz grafeno-agua. La red de enlaces de hidrógeno del agua en la capa de Stern apenas cambia dentro de la ventana de electrólisis del agua, pero sufre cambios notables cuando se activan las reacciones electroquímicas. El enlace O-H que sobresale en la interfaz grafeno-agua desaparece al inicio de la reacción de evolución de hidrógeno, lo que significa un marcado cambio estructural en la capa superior debido al exceso de especies intermedias al lado del electrodo. El prístino grafeno suspendido de gran tamaño ofrece una nueva plataforma para desentrañar los procesos microscópicos en las interfaces de los electrodos de grafito.

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Los autores declaran que los datos que respaldan los hallazgos de este estudio están disponibles en los archivos de datos originales y en papel. Si se necesitan archivos de datos sin procesar en otro formato, están disponibles a través del autor correspondiente previa solicitud razonable. Los datos originales se proporcionan con este documento.

Das, RK et al. Extraordinaria actividad de evolución de hidrógeno y reacción de oxidación a partir de nanotubos de carbono y carbonos grafíticos. ACS Nano 8, 8447–8456 (2014).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Murthy, AP, Madhavan, J. y Murugan, K. Avances recientes en catalizadores de reacción de evolución de hidrógeno sobre soportes a base de carbono/carbono en medios ácidos. J. Fuentes de energía 398, 9–26 (2018).

Artículo ADS CAS Google Scholar

Enoki, T., Suzuki, M. y Endo, M. Compuestos y aplicaciones de intercalación de grafito (Oxford Univ. Press, 2003).

Bonaccorso, F. et al. Grafeno, cristales bidimensionales relacionados y sistemas híbridos para la conversión y almacenamiento de energía. Ciencia 347, 1246501 (2015).

Artículo PubMed Google Scholar

Bie, Y.-Q. et al. Espectroscopia vibratoria en interfaces electrolito/electrodo con rejillas de grafeno. Nat. Comunitario. 6, 7593 (2015).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Peng, Q., Chen, J., Ji, H., Morita, A. y Ye, S. Origen del sobrepotencial para la reacción de evolución de oxígeno en un electrodo de grafeno bien definido probado mediante espectroscopia vibratoria de generación de frecuencia de suma in situ. Mermelada. Química. Ciencia. 140, 15568–15571 (2018).

Artículo CAS Google Scholar

Montenegro, A. et al. Respuesta asimétrica del agua interfacial a los campos eléctricos aplicados. Naturaleza 594, 62–65 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Rafiee, J. y col. Transparencia humectante del grafeno. Nat. Madre. 11, 217–222 (2012).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Achtyl, JL y cols. Transferencia acuosa de protones a través de grafeno monocapa. Nat. Comunitario. 6, 6539 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Dreier, LB y cols. Espectroscopía de agua específica de superficie en una monocapa de grafeno soportada controlada potenciostáticamente. J. Física. Química. C 123, 24031–24038 (2019).

Artículo CAS Google Scholar

Ohto, T., Tada, H. & Nagata, Y. Estructura y dinámica del agua en las interfaces agua-grafeno y agua-hoja hexagonal de boro-nitruro reveladas por espectroscopia de generación de frecuencia de suma ab initio. Física. Química. Química. Física. 20, 12979–12985 (2018).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Zhang, Y., de Aguiar, HB, Hynes, JT & Laage, D. Estructura del agua, dinámica y espectros de generación de frecuencia de suma en interfaces de grafeno electrificado. J. Física. Química. Letón. 11, 624–631 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Singla, S. y col. Información sobre la estructura del agua y el hielo junto al grafeno mediante espectroscopía sensible a la superficie. ACS Nano 11, 4899–4906 (2017).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Él, Q. et al. Almacenamiento electroquímico de hidrógeno atómico sobre grafeno de una sola capa. Mermelada. Química. Soc. 143, 18419–18425 (2021).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Beams, R., Cançado, LG & Novotny, L. Caracterización Raman de defectos y dopantes en grafeno. J. Física. Condensa. Asunto 27, 083002 (2015).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Chen, F., Qing, Q., Xia, J., Li, J. y Tao, N. Transporte de carga controlado por puerta electroquímica en grafeno en líquido iónico y solución acuosa. Mermelada. Química. Soc. 131, 9908–9909 (2009).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Bard, AJ y Faulkner, LR Métodos electroquímicos: fundamentos y aplicaciones (Wiley, 2001).

Das, A. et al. Monitoreo de dopantes mediante dispersión Raman en un transistor de grafeno con activación electroquímica. Nat. Nanotecnología. 3, 210–215 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Döppenschmidt, A. y Butt, H.-J. Medición de fuerzas electrostáticas de doble capa en HOPG a altos potenciales superficiales. Surf de coloides. 149, 145-150 (1999).

Artículo de Google Scholar

Sun, S. y col. Referencia de fase en espectroscopia vibratoria de suma de frecuencia sensible a la fase. J. química. Física. 144, 244711 (2016).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Ji, N., Ostroverkhov, V., Tian, ​​C. y Shen, Y. Caracterización de resonancias vibratorias de interfaces de vapor de agua mediante espectroscopia de suma de frecuencia sensible a fases. Física. Rev. Lett. 100, 096102 (2008).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Wen, Y.-C. et al. Revelando estructuras microscópicas de interfaces de agua cargadas mediante espectroscopia vibratoria específica de la superficie. Física. Rev. Lett. 116, 016101 (2016).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Cheng, J., Vermeulen, N. & Sipe, J. No linealidad óptica de segundo orden del grafeno debido a efectos de cuadrupolo eléctrico y dipolo magnético. Ciencia. Rep. 7, 43843 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Morita, A. Teoría de la espectroscopia de generación de frecuencia suma 201–218 (Springer, 2018).

Somorjai, GA y Li, Y. Introducción a la catálisis y la química de superficies (Wiley, 2010).

Zhang, Y. et al. Generación de segundo armónico inducida por dopaje en grafeno centrosimétrico a partir de una respuesta cuadrupolo. Física. Rev. Lett. 122, 047401 (2019).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Shin, S., Kang, H., Cho, D., Lee, JY y Kang, H. Efecto del campo eléctrico en sistemas moleculares de fase condensada. II. Efecto marcado sobre la vibración del estiramiento de hidroxilo del hielo. J. Física. Química. C 119, 15596–15603 (2015).

Artículo CAS Google Scholar

Tomlinson-Phillips, J. et al. Estructura y dinámica del agua que cuelga de enlaces OH en capas de hidratación hidrófobas. Comparación de simulación y experimento. J. Física. Química. A 115, 6177–6183 (2011).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Kronberg, R., Lappalainen, H. & Laasonen, K. Revisando el mecanismo Volmer-Heyrovský de evolución de hidrógeno en un nanotubo de carbono dopado con nitrógeno: dinámica molecular restringida versus el método de banda elástica empujada. Física. Química. Química. Física. 22, 10536–10549 (2020).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Wilhelm, F., Schmickler, W. y Spohr, E. Transferencia de protones a electrodos de platino cargados. Un estudio de trayectoria de dinámica molecular. J. Física. Condensa. Asunto 22, 175001 (2010).

Artículo ADS PubMed Google Scholar

Kibsgaard, J. y col. Interacciones grupo-soporte y morfología de nanoclusters de MoS2 en un catalizador modelo de hidrotratamiento soportado por grafito. Mermelada. Química. Soc. 128, 13950–13958 (2006).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Zhao, G. & Liu, G. Deposición electroquímica de nanopartículas de oro sobre óxido de grafeno reducido mediante voltamperometría cíclica de barrido rápido para la determinación sensible de As (III). Nanomateriales 9, 41 (2018).

Artículo ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Brown, MA, Goel, A. & Abbas, Z. Efecto de la concentración de electrolitos en el espesor de la capa Stern en una interfaz cargada. Angélica. Química. En t. Ed. 128, 3854–3858 (2016).

ADS del artículo Google Scholar

Cole, DJ, Ang, PK y Loh, KP Adsorción de iones en la interfaz grafeno/electrolito. J. Física. Química. Letón. 2, 1799–1803 (2011).

Artículo CAS Google Scholar

Elliott, J., Papaderakis, AA, Dryfe, R. & Carbone, P. La doble capa electroquímica en la interfaz grafeno/electrolito acuoso: lo que podemos aprender de simulaciones, experimentos y teoría. J. Mater. Química. C 10, 15225–15262 (2022).

Artículo CAS Google Scholar

Fumagalli, L. et al. Constante dieléctrica anormalmente baja del agua confinada. Ciencia 360, 1339-1342 (2018).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Chiang, K.-Y. et al. El perfil de la función dieléctrica a través de la interfaz del agua a través de simulaciones y espectroscopía vibratoria específica de la superficie. Proc. Acad. Nacional. Ciencia. Estados Unidos 119, e2204156119 (2022).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rezaei, M. et al. Efectos dieléctricos interfaciales, electroviscosos y no lineales sobre la electrocinética en superficies altamente cargadas. J. Física. Química. B 125, 4767–4778 (2021).

Artículo CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wen, Y.-C., Zha, S., Tian, ​​C. y Shen, YR El pH de la superficie y la afinidad iónica en la interfaz alcohol-monocapa/agua se estudiaron mediante espectroscopia de suma de frecuencias. J. Física. Química. C 120, 15224-15229 (2016).

Artículo CAS Google Scholar

Ohno, PE, Saslow, SA, Wang, H.-f., Geiger, FM y Eisenthal, KB Espectroscopia no lineal con referencia de fase de la interfaz cuarzo α/agua. Nat. Comunitario. 7, 13587 (2016).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, L., Tian, ​​C., Waychunas, GA y Shen, YR Estructuras y carga de interfaces de α-alúmina (0001)/agua estudiadas mediante espectroscopia vibratoria de suma frecuencia. Mermelada. Química. Soc. 130, 7686–7694 (2008).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Fitts, JP, Shang, X., Flynn, GW, Heinz, TF y Eisenthal, KB Carga superficial electrostática en interfaces monocristalinas acuosas / α-Al2O3 probadas mediante generación óptica de segundo armónico. J. Física. Química. B 109, 7981–7986 (2005).

Artículo CAS PubMed Google Scholar

Yang, S. y col. Estabilización de iones hidróxido en la interfaz de una monocapa hidrófoba sobre agua mediante transferencia reducida de protones. Física. Rev. Lett. 125, 156803 (2020).

Artículo ADS CAS PubMed Google Scholar

Döppenschmidt, A. y Butt, H.-J. Medición de fuerzas electrostáticas de doble capa en HOPG a altos potenciales superficiales. Surf de coloides. 149, 145-150 (1999).

Artículo de Google Scholar

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Este trabajo fue apoyado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (12125403, 11874123, 12221004, 12293053) y el Programa Nacional Clave de Investigación y Desarrollo de China (2021YFA1400202, 2021YFA1400503). Agradecemos a K. Liu y Carbon Six Co. por las discusiones sobre el crecimiento del grafeno CVD y Y.-D. Su para discusiones sobre el análisis de datos.

Departamento de Física, Laboratorio Estatal Clave de Física de Superficies y Laboratorio Clave de Estructuras Micro y Nano Fotónicas (MOE), Universidad de Fudan, Shanghai, China

Ying Xu, You-Bo Ma, Feng Gu, Shan-Shan Yang y Chuan-Shan Tian

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YX y C.-ST idearon el proyecto. YX, Y.-BM, S.-SY y FG llevaron a cabo los experimentos. YX, FG y C.-ST analizaron los datos. YX, FG y C.-ST redactaron el manuscrito y todos los autores contribuyeron a la versión final.

Correspondencia a Chuan-Shan Tian.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

Nature agradece a los revisores anónimos por su contribución a la revisión por pares de este trabajo.

Nota del editor Springer Nature se mantiene neutral con respecto a reclamos jurisdiccionales en mapas publicados y afiliaciones institucionales.

Diagrama de flujo de dilución del electrolito (CuSO4, 0,3 M) utilizado para el grabado electroquímico de cobre.

El circuito equivalente e ilustración del EDL en la interfaz cerrada MLG-agua.

Densidad de portador n (a) y nivel de Fermi μ (b) de grafeno versus VG.

Datos fuente

a – c, espectro Raman de la muestra de grafeno monocapa a diferente voltaje de puerta VG.

Datos fuente

Geometría colineal utilizada en la detección de PS SFVS.

a, espectros Im (χ (2)) en diferentes VG. Las curvas discontinuas son los espectros Im(\({\chi }_{{\rm{g}}}^{(2)}\)) calculados del grafeno con Vpzc = 0,5 V. b, Im[\({\chi }_{{\rm{s}}}^{(2)}\)(ωIR = 3000 cm−1) + χ(3)(ωIR = 3000 cm−1)Ψ] versus VG. La región sombreada denota incertidumbre. Las barras de error se calculan a partir de 30 promedios.

Datos fuente

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Xu, Y., Ma, YB., Gu, F. et al. Evolución de la estructura en la interfaz grafeno-agua suspendido sintonizable por la puerta. Naturaleza (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06374-0

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Recibido: 11 de julio de 2022

Aceptado: 27 de junio de 2023

Publicado: 30 de agosto de 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-06374-0

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