摘要

由于質(zhì)子的水化結(jié)構(gòu)的重要性，人們已經(jīng)在體水和質(zhì)子化團(tuán)簇中被研究了幾十年，但在平面封閉環(huán)境中仍然難以捉摸。二維（2D）過渡金屬碳化物MXenes在質(zhì)子電解質(zhì)中具有極強(qiáng)的電容，在儲(chǔ)能領(lǐng)域引起了人們的關(guān)注。我們?cè)谶@里報(bào)道了與插入在Ti3C2Tx MXene層之間的質(zhì)子相關(guān)的離散振動(dòng)模式。根據(jù)密度泛函理論的計(jì)算，這些模式的起源是由于配位數(shù)減少的質(zhì)子。因此，本研究為二維約束下的化學(xué)物種提供了一個(gè)有用的工具。

創(chuàng)新點(diǎn)

1. 利用紅外光譜的實(shí)時(shí)檢測方法來研究質(zhì)子在二維材料MXene中的插入行為,這在以前的研究中還未見過。

2. 首次直接觀察到了質(zhì)子在MXene層間隙中的溶劑化過程,并發(fā)現(xiàn)其紅外吸收特征與質(zhì)子在體相溶液中的吸收特征明顯不同。

3. 通過計(jì)算模型解析了這種差異的起因是MXene層間空間的二維限制改變了質(zhì)子的溶劑化結(jié)構(gòu)。

4. 研究發(fā)現(xiàn)質(zhì)子的插入會(huì)替代層間的中性水分子,增強(qiáng)水分子之間的氫鍵連接。

5. 展示了該實(shí)時(shí)紅外光譜技術(shù)可以推廣到研究各種離子和分子入侵二維層狀材料的過程,為研究這類材料提供了新的途徑。

6. 加深了對(duì)質(zhì)子在二維限制條件下的溶解和反應(yīng)機(jī)制的理解。

總體來說,這項(xiàng)工作的創(chuàng)新之處在于采用了一種新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)來研究質(zhì)子在二維材料中的運(yùn)動(dòng)行為,獲得了一些以前未知的結(jié)論,為研究這一領(lǐng)域打開了新的視角。

圖文參考

總結(jié)

這篇文章利用紅外光譜的實(shí)時(shí)檢測方法,研究了質(zhì)子如何插入和溶解在一種二維材料MXene的層間。

研究人員觀察到,當(dāng)質(zhì)子進(jìn)入MXene層間時(shí),紅外光譜出現(xiàn)了一些新的吸收峰,這表示質(zhì)子與MXene層間的水分子結(jié)合的方式發(fā)生了變化。計(jì)算模型表明,這是因?yàn)镸Xene層間空間狹窄,限制了質(zhì)子周圍能夠結(jié)合的水分子數(shù)量,使質(zhì)子與水形成的結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變。隨著電壓的變化,層間的中性水分子被質(zhì)子取代,水分子之間的氫鍵連接也發(fā)生增強(qiáng)。這項(xiàng)工作展示了紅外光譜技術(shù)可以實(shí)時(shí)檢測各種離子和分子進(jìn)入二維層間材料的過程,為研究這類材料提供了新思路。

總體來說,這項(xiàng)研究增進(jìn)了我們對(duì)質(zhì)子在二維空間限制條件下的溶解和反應(yīng)機(jī)制的理解。

*?參考文獻(xiàn)：https://doi.org/10.1038/s41467-023-36842-0