Atomic-Scale Mapping of Interfacial Water on Oxide Surfaces via Proton-Resolved NMR and Ab Initio Simulations

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作者
Lorenzo Agosta,Ken Conover,Przemysław Rzepka,Alisa Gordeeva,Adam Slabon,István Pelczer,Annabella Selloni,Kersti Hermansson,Aleksander Jaworski
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (11): 11583-11594
标识
DOI:10.1021/jacs.5c18863
摘要

Understanding the molecular structure of water at solid-liquid interfaces is essential for advancing catalysis, energy conversion, and environmental technologies. However, directly characterizing interfacial water species in excess liquid water remains a major experimental challenge. Here, we introduce a new strategy that combines high-resolution 1H magic-angle spinning (MAS) nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy with first-principles molecular dynamics simulations to resolve and assign the chemical environments of interfacial water and hydroxyl species on hydrated titanium dioxide (TiO2) nanoparticles. Using partial proton-deuteron exchange and fast MAS techniques, we achieve site-specific detection of surface-bound H2O and OH groups at the solid-liquid interface. This enables a detailed atomistic assessment of surface hydration states under ambient conditions. Our results reveal that the fully hydrated anatase (101) TiO2 surfaces are positively protonated and exhibit hydrophobic behavior, a counterintuitive finding with significant implications for interfacial reactivity. The approach developed in this work is widely applicable for unraveling complex hydration structures at oxide-water interfaces with molecular resolution.
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