中国科学技术大学化学与材料科学学院朱彦武教授团队在单层石墨烯电化学界面研究领域取得进展。研究团队创新性地结合红外自由电子激光原子力显微红外光谱（AFM-IRFEL）和原位和频振动光谱（SFG）两种先进表征技术，从纳米尺度和分子尺度系统揭示了氧官能化对单层石墨烯电极电化学界面结构及离子吸附行为的调控机制，为高性能石墨烯基超级电容器电极材料设计提供了重要理论依据。相关研究成果以“Oxygen Functionalization Reshapes the Electrochemical Interface of Single-Layer Graphene via Defect Evolution and Ion Structuring”为题，发表于《The Journal of Physical Chemistry C》。
超级电容器因具有高功率密度、快速充放电和长循环寿命等优势，在新型储能系统中具有广阔应用前景。单层石墨烯（SLG）因兼具高导电性和高比表面积，被认为是理想的超级电容器电极材料。为了进一步提升储能性能，氧官能化被广泛用于石墨烯体系中，但其对电极/电解液界面结构及离子动力学的本质影响长期缺乏直接实验证据。
针对这一问题，研究团队采用氧等离子体对单层石墨烯进行表面修饰，构建了氧官能化单层石墨烯（O-SLG）模型体系。研究发现，氧官能团能够显著改变石墨烯电极界面的离子吸附构型，使材料双电层电容明显提升，但同时也影响界面离子弛豫动力学，揭示了容量提升与动力学减缓之间的重要权衡关系。
在本项研究中，红外自由电子激光装置的AFM-IRFEL线站发挥了关键作用。AFM-IRFEL结合了原子力显微镜的纳米空间分辨能力与红外自由电子激光宽波段、可调谐和高功率优势，实现了对单层石墨烯表面局域化学结构变化的直接探测。如图1所示，研究团队利用AFM-IRFEL在812 cm⁻¹处观测到石英基底Si−O−Si振动峰，并发现氧官能化后该峰强度明显减弱。这一结果表明氧官能化破坏了石墨烯原有的π共轭结构，削弱了石墨烯对基底振动信号的化学增强效应，从纳米尺度直接验证了表面官能化过程。
图1.单层石墨烯/石英的AFM-IRFEL光谱研究
原位和频振动光谱（SFG）则进一步揭示了电极/电解液界面离子构型的动态重组过程（图2）。在本征石墨烯表面，阳离子在负电位下由平躺逐渐转变为近垂直吸附构型；而在氧官能化石墨烯表面，氧官能团通过化学锚定作用使阳离子在负电位下保持近平面吸附，并在正电位下表现出增强的阴离子吸附。这种不同于本征石墨烯的界面离子排列方式，直接重塑了双电层结构。
图2. 单层石墨烯/离子液体界面的原位SFG光谱研究
该研究通过将AFM-IRFEL的纳米尺度局域化学探测能力与原位SFG的界面分子取向解析能力相结合，建立了从“表面官能团变化”到“界面离子重构”再到“宏观储能性能演化”的完整机制认知链条。特别是AFM-IRFEL作为核心表征手段，充分展示了红外自由电子激光在二维材料电化学界面研究中的独特优势，也体现了红外自由电子激光装置在先进能源材料研究中的重要支撑作用。
原文链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5c02290
