The hydrogen-bonding dynamics of water to a nitrile-functionalized electrode is modulated by voltage according to ultrafast 2D IR spectroscopy

氢键 化学 化学物理 电极 电极电位 分析化学(期刊) 光化学 电化学 分子 物理化学 有机化学
作者
Matthew J. Ryan,Nan Yang,Kijeong Kwac,Kiera B. Wilhelm,Benjamin K. Chi,Daniel J. Weix,Minhaeng Cho,Martin T. Zanni
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (52): e2314998120-e2314998120 被引量:19
标识
DOI:10.1073/pnas.2314998120
摘要

We report the hydrogen-bonding dynamics of water to a nitrile-functionalized and plasmonic electrode surface as a function of applied voltage. The surface-enhanced two-dimensional infrared spectra exhibit hydrogen-bonded and non-hydrogen-bonded nitrile features in similar proportions, plus cross peaks between the two. Isotopic dilution experiments show that the cross peaks arise predominantly from chemical exchange between hydrogen-bonded and non-hydrogen-bonded nitriles. The chemical exchange rate depends upon voltage, with the hydrogen bond of the water to the nitriles breaking 2 to 3 times slower (>63 vs. 25 ps) under a positive as compared to a negative potential. Spectral diffusion created by hydrogen-bond fluctuations occurs on a ~1 ps timescale and is moderately potential-dependent. Timescales from molecular dynamics simulations agree qualitatively with the experiment and show that a negative voltage causes a small net displacement of water away from the surface. These results show that the voltage applied to an electrode can alter the timescales of solvent motion at its interface, which has implications for electrochemically driven reactions.
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