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上海科技大学杨波/刘志:气液界面上光电子能谱峰分裂的起源

日期: 来源:研之成理收集编辑:刘健
▲第一作者:刘健          
通讯作者:杨波,刘志            
通讯单位:上海科技大学               
论文DOI:10.1021/acs.jpclett.2c03099              

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全文速览


近期,上海科技大学杨波教授团队联合刘志教授团队,在分子层次上研究了气液界面上的光电子能谱(XPS)发生分裂的机制,为基于XPS的界面处的分子结构解析提供了深入理解。论文以Origin of the Liquid/Gaseous Water Binding Energy Splitting Measured via X‐ray Photoelectron Spectroscopy为题在J. Phys. Chem. Lett发表。

 


02

背景介绍


文献中的若干测量结果表明,液体中水分子的 O 1s 芯能级结合能相比气态中低约1.3到2.8 eV,在XPS实验中表现为谱峰发生分裂,但结合能偏移的准确值并无定论。实验上存在多个因素都会导致对该值测量产生误差,而这些实验采用的装置和测量条件各不相同,导致测量的结果彼此之间偏差很大。目前对于液相中尤其是气液界面的水分子结合能的偏移也没有深入的理论探究。XPS是探究分子结构和局域电势的有力工具,准确理解和预测该结合能的偏移量对于认识液相和界面的结构、拓展XPS的应用领域非常重要。


03

本文亮点


● 通过精心设计的实验装置和条件,获得了准确的液相结合能偏移值。

● 采用了量子分子动力学模拟联合芯能级结合能的计算,重现了实验上的结合能偏移。

● 定量分析了各个可能因素对结合能偏移的贡献。


04

图文解析


我们首先在图1a所示的电化学装置上,在金属 Pt 电极表面制备的纳米液膜并进行了 XPS 测量(图1b)。在理论研究上,构造了图1c中的团簇模型,采用量子分子动力学模拟了气液界面上的结构,并进行了芯能级结合能的计算,得到了界面上不同深度的水分子结合能曲线(图1d)。
 
▲图1. 实验测量和理论模拟的水气界面上的XPS结果.

图2显示了理论模拟得到不同条件下,气液界面上的XPS谱峰。模拟结果解释了不同实验测量值之间的偏差。
 
▲图2. 理论模拟的水膜和水滴的XPS谱峰曲线

图3分析了初态效应对液相结合能偏移的贡献。定量分析结果显示初态效应结合能偏移的平均值贡献较小,但对结合能偏移的涨落贡献很大。后者对谱峰的宽度有决定性作用。
 
▲图3. 初态效应的贡献

图4分析了末态效应对液相结合能偏移的贡献。末态效应主要考虑的是周围水分子的电子极化对被激发的水分子离子的稳定化作用(图4a、4b)。定量分析的结果表明,末态效应是液相结合能偏移的主要贡献。
 
▲图4. 末态效应的贡献


05

总结与展望


本文采用特殊设计的实验装置和条件获得了准确的液相结合能偏移值,并采用了量子分子动力学结合芯能级结合能的计算模拟方法,重现了水分子在液相和气液界面上的结合能偏移,解释了实验上的XPS谱峰分裂。进一步定量分析确认了造成液相水分子的结合能偏移的机制。为研究气液界面的微观原子结构和电势结构提供了重要的手段。

XPS是一个研究液相界面和电化学体系的强大工具。本文的研究方法和结果为认识气液界面上的微观原子结构和电势结构提供深入认识,也为 XPS应用于液相界面和电化学的研究提供帮助和支持。研究团队近期同样结合XPS实验和量子分子动力学模拟手段研究了富含水溶液的Nafion膜的结构(J. Chem. Phys. 2023, 158, 071101, doi:10.1063/5.0139551, https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0139551)。

该成果于近日在J. Phys. Chem. Lett.发表,题为“Origin of the Liquid/Gaseous Water Binding Energy Splitting Measured via X‐ray Photoelectron Spectroscopy”,第一作者为上海科技大学刘健副研究员,通讯作者为杨波教授和刘志教授,详细信息请阅读:
https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c03099  (或点击阅读原文)

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