科学家发现他们可以使用石墨烯电极将水分子分开

在《Nature Communications》上，由国家石墨烯研究所（NGI）的Marcelo Lozada-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击响应这种力的速率。研究人员发现，水在响应更强的电力时以指数级的速度断裂。

研究人员认为，这种对界面水的基本理解可以用来设计更好的催化剂，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。Marcelo Lozada-Hidalgo博士说：“我们希望这项工作的见解将用于各个社区，包括物理学，催化和界面科学，并且它可以帮助设计更好的催化剂用于绿色氢气生产”。

水分子由质子和氢氧化物离子组成。解离它涉及用电力将这两个组成离子分开。原则上，将水分子拉开越强，它应该断裂得越快。这一重要观点尚未在实验中得到定量证明。

众所周知，电力会破坏水分子，但更强的力并不总是导致更快的水解离，这长期以来一直困扰着科学家。与石墨烯电极的一个关键区别在于，这些电极只能渗透到质子身上。研究人员发现，这允许将产生的质子与石墨烯上的氢氧化物离子分离，氢氧化根是一个原子厚的屏障，可以防止它们的重组。这种电荷分离对于观察水解离的电场加速度至关重要。石墨烯的另一个关键优点是它允许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。

结果可以用经典的Onsager理论来解释，该理论在水的重要案例中仍未经过实验验证。该作品的博士生、共同第一作者蔡俊浩说：“我们惊讶地发现Onsager理论与我们的数据拟合程度。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，这仍然知之甚少。

作者对他们的实验设置提供的可能性感到兴奋。该作品的博士生和共同第一作者Eoin Griffin说：“石墨烯电极结合了三种性质，据我们所知，这三种性质从未在一个单一的系统中一起被发现：只有质子渗透到晶体中，它是一个原子厚的，它可以承受非常强的电力。这种组合使我们能够基本上拉开石墨烯表面上的第一层水分子。