GO基表面模型在電子水平上水和化學基團之間相互作用

氧化石墨烯（GO）作為一種石墨烯基材料，由于其簡單、可擴展和低成本的合成方法成為二維材料領(lǐng)域的新星，比如可以有效的水處理和用于可持續(xù)能源生產(chǎn)的燃料電池等。但它與液態(tài)水的相互作用仍然是一個懸而未決的問題。本文使用第一性原理對液態(tài)水中GO進行分子模擬，彌合了簡單計算模型與復雜實驗系統(tǒng)之間的差距。同時構(gòu)建了化學精確的GO模型并研究了它們在水中的行為。

氧化石墨烯（GO）是二維材料中的一顆冉冉升起的新星，但它與液態(tài)水的相互作用仍然是一個懸而未決的問題：難以在原子尺度上進行實驗表征，并且通過經(jīng)典方法進行建模無法正確描述化學反應性。

近日，法國巴黎文理研究大學Marie-LaureBocquet教授使用第一性原理對液態(tài)水中GO進行分子模擬，彌合了簡單計算模型與復雜實驗系統(tǒng)之間的差距。同時構(gòu)建了化學精確的GO模型并研究了它們在水中的行為，表明含氧官能團（羥基和環(huán)氧化物）優(yōu)先聚集在GO層上。

氧化石墨烯（GO）作為一種石墨烯基材料，由于其簡單、可擴展和低成本的合成方法，在過去二十年中已經(jīng)引起了人們的巨大關(guān)注。并且已經(jīng)廣泛用于各種用途，比如：有效的水處理和用于可持續(xù)能源生產(chǎn)的燃料電池等。這種性質(zhì)在很大程度上取決于表面存在的化學基團，并提出了使用不同試劑和氧化時間，允許材料的化學成分略有變化。因此，GO表面的O/C比值從28%到36%不等。但當將熱剝落技術(shù)應用于GO以產(chǎn)生單層功能化石墨烯時，一些特殊的化學官能團被移除，此時比例下降到5%-10%之間。

迄今為止，使用不同的表征技術(shù)，例如固體NMR，XPS或拉曼光譜測量，已經(jīng)提出了許多試圖描述GO表面的理論模型。其中最廣泛使用的模型是Lerf和Klinowski最初提出的GO模型，并且從那以后在文獻中主要用于描述GO的單層。該層被描述為具有未氧化苯環(huán)的平坦芳香族區(qū)域、含有羥基或1，2-醚（環(huán)氧化物）基的褶皺區(qū)域和和羧酸隨機分布在GO的邊緣。但關(guān)于氧化功能沿石墨烯層的空間排列沒有明確的陳述，是否沿表面隨機分布，對材料的穩(wěn)定性及其化學性質(zhì)有什么影響。特別是當它與水相互作用時，如何影響GO膜的過濾性能。事實上，GO與水的相互作用特別重要，因為所觀察到的GO膜對水分子的超透性及其理解要求在原子尺度上建模。

在本文中， 作者提出了一個GO基表面模型，描述了電子水平上的水和化學基團之間相互作用。利用這種方法中，使用給定的O/C比率生成多個GO樣本，其功能隨機分布或不在表面上分布。而且最初生成的GO層是在沒有溶劑的情況下進行研究的，在穩(wěn)定的GO層中，其中六層通過從頭算分子動力學（AIMD）模擬被放置在室溫下的液態(tài)水中。隨后，通過對時間和重復項進行平均化的徹底統(tǒng)計分析，以便定量測量二維材料中水與固態(tài)界面中一些有價值的物理和化學性質(zhì)。證明了GO在水中擁有特殊特性，即親水性和快速水動力學的非凡組合。此外，也證明GO在水中具有化學活性，平均負電荷為10 mC m-2。從頭算模型突出了GO結(jié)構(gòu)作為海水淡化和凈水創(chuàng)新膜的獨特應用。

圖1.這項工作中研究的氧化石墨烯模型

圖2.氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)

圖3.從分子動力學模擬獲得的模擬快照

圖4.氧化石墨烯的自發(fā)脫水

圖5.液態(tài)水中氧化石墨烯的動力學

總而言之，作者通過廣泛的ab AIMD模擬，以固定的O/C比建立了包括羥基和環(huán)氧基在內(nèi)的數(shù)個GO模型，并分析了它們各自的穩(wěn)定性以及在液態(tài)水中的物理和化學行為。盡管計算量很大，但正是這些模型與廣泛的從頭算MD的結(jié)合使之能夠描述GO/液態(tài)水界面處發(fā)生的化學過程。