科技日报记者 符晓波
记者从厦门大学获悉，厦门大学化学化工学院王韬教授、周志有教授、孙世刚院士团队联合德国于利希研究中心黄俊教授、中国科学院福建物质结构研究所陈俊翔副研究员等，通过时间分辨表面增强红外吸收光谱与机器学习分子动力学模拟相结合的方法，揭示双电层远离平衡态时的界面分子结构和动态演化规律。相关成果9月2日发表于国际学术期刊《自然》。
带电固-液界面是能量与物质转化过程发生的核心场所。在电极与电解液接触的纳米尺度区域，电极表面电荷、离子和水分子共同形成“双电层”。这一厚度仅为纳米尺度的界面区域，却存在极强的局域电场，直接影响分子吸附、离子输运等过程。一直以来，经典双电层理论将双电层视为静态不可压缩结构，难以解释实际电催化远离平衡工况下，双电层内离子、水分子与局域电场的实时响应重构过程。
该研究团队建立了融合时间分辨表面增强红外吸收光谱与机器学习分子动力学模拟的实验-理论研究框架，在析氢反应（HER）条件下解析双电层远离平衡态时的界面分子结构和动态演化，并进一步建立了能够描述真实反应界面的可压缩双电层模型。
研究发现，随着极化增强，金属电极的双电层内层经历了明显的两阶段结构重构。第一阶段，界面水发生取向变化；随着极化进一步增强，进入第二阶段，阳离子在界面富集并发生部分脱水，部分界面水被排出，导致双电层内层结构发生坍缩。该结果为双电层内层的可压缩假设提供了直接谱学证据。
更为重要的是，当电位发生反向跳变时，双电层的扩张并非简单沿原路径恢复，而是伴随着高浓度阳离子快速离开电极界面，形成自由水含量较高的瞬态过渡结构。同时，双电层的动态重构并不仅仅是结构上的变化，还会直接改变反应发生处的局域电场。随着阳离子部分脱水并更加靠近电极，双电层内离子浓度快速上升、内层厚度减小，界面局域电场显著增强。这表明，外加电极电位与反应物实际感受到的局域电场之间并非简单的线性对应关系，而是受到双电层微观结构的动态调控。
该研究揭示了远离平衡态双电层中“离子-水异步响应”的动态本质，使科学界对电化学界面的认识从传统的稳态结构拓展到了真实反应过程中的动态演化。
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