面向動態表界面分析的原位液相二次離子質譜新技術研究獲進展

表界面化學是能源、環境和生命等前沿科學領域的核心。在分子水平上表征表界面化學，對闡明上述領域關鍵科學問題的化學本質具有重要意義。然而，表界面層極薄、其物種復雜性及高度動態性，對化學測量學提出了挑戰。飛行時間二次離子質譜（ToF-SIMS）是迅速發展的先進表界面分析技術。而作為基于高真空環境的分析技術，SIMS難以直接分析涉及到液體的表界面。

近年來，中國科學院化學研究所活體分析化學實驗室研究員汪福意課題組，針對動態表界面分析問題以及諸多重要表界面過程處于“黑箱”狀態的研究現狀，基于高化學穩定、高真空兼容的微流控裝置，將一系列液體表面以及固液界面引入超高真空的SIMS分析系統中，發展了多場景適用的具有高界面敏感（ppm）、高時間分辨（μs）、超薄信息深度（nm）和“軟”電離等特性的原位液相ToF-SIMS新技術，以直接分子證據可視化追蹤液體表面/固液界面的微觀弱相互作用，并原位實時監測界面電化學雙電層結構、反應中間體、鑒定電催化活性位點等。迄今為止，原位液相ToF-SIMS是唯一已知可原位探測固液界面的質譜分析技術，為揭示電化學、能源、環境、生命等領域重要表界面微觀結構的時空演化機理及界面構效關系提供了高效、獨特的研究平臺。

汪福意課題組與中國科學院生態環境研究中心曲久輝院士/胡承志研究員團隊合作，將原位液相SIMS技術拓展至納米孔道膜分離過程中的固液界面分析，原位捕獲了離子水簇在納濾膜孔道傳輸過程的水合形態變化，提供了基于水簇結構轉化與其膜孔傳輸適配的納濾膜分離技術原理，為高性能納濾膜材料開發與膜分離系統優化提供了實驗依據。相關成果發表在《科學進展》（Science Advances?2023,?9, eadf8412）和《美國化學學會納米雜志》（ACS Nano?2023,?17, 12629）上。

汪福意課題組與南昌大學教授陳義旺/胡笑添團隊合作，發展了原位液相SIMS技術，研究了鈣鈦礦太陽能電池領域飽受困擾的前驅體溶液老化問題，以直接分子證據揭示了三陽離子混合鹵化物鈣鈦礦前驅體溶液在長期存儲過程中的老化反應機制。進而，該團隊針對前驅體離子老化機制提出了Lewis酸/堿添加劑減緩鈣鈦礦溶液老化的策略，并闡釋了添加劑化學結構與添加劑抑制老化效果之間的構效關系。研究表明，原位液相ToF-SIMS新技術可作為“分子眼”促進對鈣鈦礦溶液化學的認知，推動了鈣鈦礦器件產業化策略的設計和開發。相關成果發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.?2023,?62,?e202215799）上。進一步，該團隊以低維鈣鈦礦前驅體溶液中的膠體粒子作為研究對象，應用原位液相ToF-SIMS可視化間隔陽離子參與的膠體組裝行為，揭示了氫鍵作用與量子阱結構優化的新機制，為實現高效低維鈣鈦礦太陽電池印刷提供了實驗依據。相關成果發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.?2023,?62,?e202303177）上。

研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部和中國科學院的支持。