扬州大学物理科学与技术学院Zhijing Huang等–由铜衬底支撑的氧化石墨烯上的自发水解离

水解离在科学领域具有重要的基础意义，并在各种技术应用中引起了广泛的关注。然而，水分子中破坏O-H键的高活化势垒限制了其应用，即使是吸附在氧化石墨烯(GO)上的水也是如此。通过密度泛函理论计算，我们证明了水分子可以在铜衬底(Copper -GO)的(111)表面支持的氧化石墨烯(GO)上自发解离。这个过程包括质子从水转移到界面氧基团，氢氧化物与氧化石墨烯形成共价键。与氧化石墨烯相比，Copper -GO上的水解离势垒显著降低，小于或与热波动相当。这归因于铜衬底与氧化石墨烯之间的轨道杂化相互作用，增强了氧化石墨烯基面上的界面氧基的反应活性，从而使水解离。我们的工作提供了一种新的策略，通过衬底增强氧化石墨烯上界面氧基团的反应活性来实现水的解耦，并表明衬底可以作为调节各种二维材料器件催化性能的关键。

图1. (a)带有羟基和环氧基团的水分子吸附在氧化石墨烯和Copper -GO上的顶部和侧面快照。(b)水在氧化石墨烯(黑色线条)和Copper -GO(红色线条)上对羟基和环氧基的解离反应途径和(c)两个环氧基。注:R(反应物)，M(中间体)，TS(过渡态)，P(生成物)。为了便于比较，氧化石墨烯和Copper -GO的能量值R被移至0。

图2. (a)羟基和环氧基团(b)两个环氧基团的氧化石墨烯和Copper -GO的C-O距离(d₁和d₂)示意图。(c)沿着GO和Copper-GO的水解离路径，d₁和d₂在不同状态下的值。

图3. 带有羟基和环氧基团的GO(上)和Copper-GO(下)的态密度(DOS)。(a, b)GO和Copper-GO上碳、氧的s、p轨道和GO上氢的s轨道(黄色)以及铜衬底的s、p、d轨道(青色)的DOS之和;(c, d)GO和Copper-GO上环氧基团(O，红色)中氧原子p轨道的DOS。蓝色虚线表示环氧基团中氧原子在相应能级上的p-带中心;(e, f)水(H₂O，橙色)吸附在GO和Copper-GO上的成键轨道的DOS。(e)为孤立水的三个成键轨道，分别用1b₂、3a₁和1b₁表示。

图4. (a)GO上一对羟基和环氧基团在水解离途径中不同状态的示意图，GO由(111)表面支撑，金属衬底包括铝(Al)、铱(Ir)、镍(Ni)和铜(Cu)。(b)不同金属衬底支撑GO上水解离途径的比较。Copper-GO的结果与图1(b)相同。为了便于比较，将R的能量值移到0。

图5. 水在Copper-GO上的解离反应途径随羟基与环氧基间距的变化:(a) 3和(b) 4个C-C键的分离。

相关研究成果由扬州大学物理科学与技术学院Zhijing Huang等人于2023年发表在Journal of Colloid and Interface Science (https://doi.org/10.1016/j.jcis.2023.03.093)上。原文：Unexpectedly spontaneous water dissociation on graphene oxide supported by copper substrate。