《Nature》子刊：质子进入二维材料层间,水分子专属“保镖”立刻减员

摘要

由于质子的水化结构的重要性，人们已经在体水和质子化团簇中被研究了几十年，但在平面封闭环境中仍然难以捉摸。二维（2D）过渡金属碳化物MXenes在质子电解质中具有极强的电容，在储能领域引起了人们的关注。我们在这里报道了与插入在Ti3C2Tx MXene层之间的质子相关的离散振动模式。根据密度泛函理论的计算，这些模式的起源是由于配位数减少的质子。因此，本研究为二维约束下的化学物种提供了一个有用的工具。

创新点

1. 利用红外光谱的实时检测方法来研究质子在二维材料MXene中的插入行为,这在以前的研究中还未见过。

2. 首次直接观察到了质子在MXene层间隙中的溶剂化过程,并发现其红外吸收特征与质子在体相溶液中的吸收特征明显不同。

3. 通过计算模型解析了这种差异的起因是MXene层间空间的二维限制改变了质子的溶剂化结构。

4. 研究发现质子的插入会替代层间的中性水分子,增强水分子之间的氢键连接。

5. 展示了该实时红外光谱技术可以推广到研究各种离子和分子入侵二维层状材料的过程,为研究这类材料提供了新的途径。

6. 加深了对质子在二维限制条件下的溶解和反应机制的理解。

总体来说,这项工作的创新之处在于采用了一种新的实验技术来研究质子在二维材料中的运动行为,获得了一些以前未知的结论,为研究这一领域打开了新的视角。

图文参考

总结

这篇文章利用红外光谱的实时检测方法,研究了质子如何插入和溶解在一种二维材料MXene的层间。

研究人员观察到,当质子进入MXene层间时,红外光谱出现了一些新的吸收峰,这表示质子与MXene层间的水分子结合的方式发生了变化。计算模型表明,这是因为MXene层间空间狭窄,限制了质子周围能够结合的水分子数量,使质子与水形成的结构发生了改变。随着电压的变化,层间的中性水分子被质子取代,水分子之间的氢键连接也发生增强。这项工作展示了红外光谱技术可以实时检测各种离子和分子进入二维层间材料的过程,为研究这类材料提供了新思路。

总体来说,这项研究增进了我们对质子在二维空间限制条件下的溶解和反应机制的理解。

* 参考文献：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36842-0