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Ions Tune Interfacial Water Structure and Modulate Hydrophobic Interactions at Silica Surfaces

化学 分子动力学 化学物理 致潮剂 离子 水溶液 氢键 离子键合 分子 计算化学 物理化学 有机化学
作者
Aashish Tuladhar,Shalaka Dewan,Simone Pezzotti,Flavio Siro Brigiano,Fabrizio Creazzo,Marie‐Pierre Gaigeot,Eric Borguet
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (15): 6991-7000 被引量:99
标识
DOI:10.1021/jacs.9b13273
摘要

The structure and ultrafast dynamics of the electric double layer (EDL) are central to chemical reactivity and physical properties at solid/aqueous interfaces. While the Gouy–Chapman–Stern model is widely used to describe EDLs, it is solely based on the macroscopic electrostatic attraction of electrolytes for the charged surfaces. Structure and dynamics in the Stern layer are, however, more complex because of competing effects due to the localized surface charge distribution, surface–solvent–ion correlations, and the interfacial hydrogen bonding environment. Here, we report combined time-resolved vibrational sum frequency generation (TR-vSFG) spectroscopy with ab initio DFT-based molecular dynamics simulations (AIMD/DFT-MD) to get direct access to the molecular-level understanding of how ions change the structure and dynamics of the EDL. We show that innersphere adsorbed ions tune the hydrophobicity of the silica–aqueous interface by shifting the structural makeup in the Stern layer from dominant water–surface interactions to water–water interactions. This drives an initially inhomogeneous interfacial water coordination landscape observed at the neat interface toward a homogeneous, highly interconnected in-plane 2D hydrogen bonding (2D-HB) network at the ionic interface, reminiscent of the canonical, hydrophobic air–water interface. This ion-induced transformation results in a characteristic decrease of the vibrational lifetime ( T 1 ) of excited interfacial O–H stretching modes from T 1 ∼ 600 fs to T 1 ∼ 250 fs. Hence, we propose that the T 1 determined by TR-vSFG in combination with DFT-MD simulations can be widely used for a quantitative spectroscopic probe of the ion kosmotropic/chaotropic effect at aqueous interfaces as well as of the ion-induced surface hydrophobicity.

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