科学家发现他们可以使用石墨烯电极将水分子拉开

在NatureCommunications上撰文，由国家石墨烯研究所(NGI)的MarceloLozada-Hidalgo博士领导的一个团队使用石墨烯作为电极来测量施加在水分子上的电力以及这些电力响应这种破坏的速率力量。研究人员发现，随着电力的增加，水的破裂速度呈指数级增长。

研究人员认为，对界面水的这种基本理解可用于设计更好的催化剂，以从水中产生氢燃料。这是英国实现净零经济战略的重要组成部分。MarceloLozada-Hidalgo博士说：“我们希望这项工作的见解将对包括物理学、催化和界面科学在内的各个领域有所帮助，并有助于设计更好的绿色氢气生产催化剂。”

水分子由质子和氢氧根离子组成。解离它涉及用电力将这两个组成离子分开。原则上，越强的水分子拉开，它应该越快破裂。这一点在实验中没有被定量地证明。

众所周知，电力会破坏水分子，但更强的力量并不总是会导致更快的水离解，这让科学家们困惑了很长时间。与石墨烯电极的一个关键区别在于它们仅对质子可渗透。研究人员发现，这允许通过石墨烯将产生的质子与氢氧根离子分离，这是一个单原子厚的屏障，可防止它们重新结合。这种电荷分离对于观察水离解的电场加速是必不可少的。石墨烯的另一个关键优势是它可以通过实验评估石墨烯-水界面处的电场，从而可以定量表征场效应。

可以使用经典的Onsager理论来解释结果，该理论在水的重要情况下仍未得到实验验证。蔡俊豪，博士学生和该工作的共同第一作者说：“我们惊讶地发现Onsager理论与我们的数据吻合得如此之好。该理论提供了对界面水的见解，包括对其介电常数的独立估计，对此仍然知之甚少。”

作者对他们的实验装置所提供的可能性感到兴奋。EoinGriffin博士学生和该工作的共同第一作者说：“石墨烯电极结合了三种特性，据我们所知，这些特性从未在一个单一的系统中被发现：只有质子渗透通过晶体，它只有一个原子厚，而且“可以承受非常强的电力。这种组合使我们能够从根本上拉开石墨烯表面上的第一层水分子。”