Asymmetric response of interfacial water to applied electric fields

电场 物理 环境科学 机械 量子力学
作者
Angelo Montenegro,Chayan Dutta,Muhammet Mammetkuliev,Haotian Shi,Bingya Hou,Dhritiman Bhattacharyya,Bofan Zhao,Stephen B. Cronin,Alexander V. Benderskii
出处
期刊:Nature [Nature Portfolio]
卷期号:594 (7861): 62-65 被引量:140
标识
DOI:10.1038/s41586-021-03504-4
摘要

Our understanding of the dielectric response of interfacial water, which underlies the solvation properties and reaction rates at aqueous interfaces, relies on the linear response approximation: an external electric field induces a linearly proportional polarization. This implies antisymmetry with respect to the sign of the field. Atomistic simulations have suggested, however, that the polarization of interfacial water may deviate considerably from the linear response. Here we present an experimental study addressing this issue. We measured vibrational sum-frequency generation spectra of heavy water (D2O) near a monolayer graphene electrode, to study its response to an external electric field under controlled electrochemical conditions. The spectra of the OD stretch show a pronounced asymmetry for positive versus negative electrode charge. At negative charge below 5 × 1012 electrons per square centimetre, a peak of the non-hydrogen-bonded OD groups pointing towards the graphene surface is observed at a frequency of 2,700 per centimetre. At neutral or positive electrode potentials, this ‘free-OD’ peak disappears abruptly, and the spectra display broad peaks of hydrogen-bonded OD species (at 2,300–2,650 per centimetre). Miller’s rule1 connects the vibrational sum-frequency generation response to the dielectric constant. The observed deviation from the linear response for electric fields of about ±3 × 108 volts per metre calls into question the validity of treating interfacial water as a simple dielectric medium. Experimental measurements of vibrational sum-frequency generation spectra indicate that the dielectric response of water near an electrode may be strongly asymmetric, with different responses to positive and negative electrode charge.
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