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北京時(shí)間12月2日0時(shí)，Nature刊發(fā)廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李劍鋒教授課題組題為“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water”（《原位拉曼光譜揭示界面水分子結(jié)構(gòu)和其解離過(guò)程》）的研究論文。通過(guò)與北京大學(xué)深圳研究生院潘鋒教授課題組合作，他們揭示了鈀單晶電極界面水分子構(gòu)型及其在析氫反應(yīng)中的核心機(jī)制，為提升電催化反應(yīng)速率提供了一種新的策略，解開(kāi)了界面水分子結(jié)構(gòu)如何調(diào)控電催化反應(yīng)這一科研難題。

水是我們賴(lài)以生存的生命源泉，也是科學(xué)發(fā)展各個(gè)領(lǐng)域的重要角色。在可再生能源科學(xué)領(lǐng)域，水分子更是直接參與到眾多重要的電催化反應(yīng)之中?？墒牵幱陔姌O/溶液界面的水分子，作為反應(yīng)過(guò)程的重要研究對(duì)象，數(shù)目遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于體相水分子，而電極電勢(shì)的實(shí)時(shí)變化又將極大影響真實(shí)的反應(yīng)進(jìn)程，必須在電場(chǎng)控制的條件下進(jìn)行原位研究才能如實(shí)獲得相關(guān)信息。因此，關(guān)于界面水分子在電催化反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)變化與作用機(jī)制的研究變得困難重重。

李劍鋒課題組利用原位表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，在電催化析氫反應(yīng)過(guò)程中，對(duì)鈀單晶電極/溶液界面水分子的構(gòu)型及其動(dòng)態(tài)變化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

他們發(fā)現(xiàn)，除了已知的含有氫鍵的水分子，界面上還有一類(lèi)與陽(yáng)離子鍵合的水分子。正是在陽(yáng)離子和電極電勢(shì)協(xié)同作用下，無(wú)序的水分子排布成更為有序的特殊結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以加速電極與水分子間的電荷轉(zhuǎn)移，進(jìn)而極大提升電催化反應(yīng)析氫的速率，為指導(dǎo)綠色制氫提供新的理論途徑。

廈門(mén)大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院博士畢業(yè)生王耀輝（現(xiàn)為廈門(mén)大學(xué)博士后）和鄭世勝（廈門(mén)大學(xué)能源學(xué)院本科畢業(yè)生，現(xiàn)北京大學(xué)深圳研究生院博士生）為該研究工作的共同第一作者，李劍鋒教授和北京大學(xué)深圳研究生院的潘鋒教授為共同通訊作者。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04068-z

【延伸閱讀】

李劍鋒：沉潛“增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)” 十一年又磨一劍

此次是李劍鋒教授第二次在Nature上發(fā)表文章。2010年，正是李劍鋒攻讀博士學(xué)位的最后一年，當(dāng)年他在田中群教授課題組發(fā)明了一種新型的增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，并將成果刊發(fā)于Nature。那是李劍鋒教授科研生涯中的第一篇Nature，也是廈門(mén)大學(xué)作為第一單位登上Nature的首篇文章。

“凌晨四點(diǎn)的廈大是我獨(dú)愛(ài)的風(fēng)景”

時(shí)隔11年，李劍鋒率領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)再次在Nature上發(fā)表學(xué)術(shù)論文，回顧這些年的科研生涯，李劍鋒談到了傳承二字。

此篇論文的研究方法根植于十一年前發(fā)明的增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，而研究的對(duì)象——單晶電極界面水分子，也是李劍鋒攻讀博士學(xué)位期間就開(kāi)始刻苦鉆研的課題。

當(dāng)年實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)陋，機(jī)時(shí)緊張，為了爭(zhēng)取多做實(shí)驗(yàn)的機(jī)會(huì)，李劍鋒與同學(xué)錯(cuò)峰而行，日夜顛倒地熬在實(shí)驗(yàn)室里，凌晨四點(diǎn)的廈大是他獨(dú)愛(ài)的風(fēng)景?！澳菐啄甑呐蛨?jiān)持總算熬出了成果，但我變成了一個(gè)胖子?！崩顒︿h自我調(diào)侃道。

不論是當(dāng)年那個(gè)每天在實(shí)驗(yàn)室熬到凌晨四點(diǎn)的李劍鋒，還是現(xiàn)在常在燈火通明的實(shí)驗(yàn)室里工作到深夜、“走得比學(xué)生更晚”的李劍鋒，他總是堅(jiān)定地走著自己的路——成功是99%的努力加1%的天才，而99%的努力更重要，努力、堅(jiān)持、積累，必能成。

傳承的另一方面，來(lái)源于當(dāng)年李劍鋒的博士導(dǎo)師、化學(xué)化工學(xué)院田中群院士的言傳身教。

憶起當(dāng)年，李劍鋒非常感謝導(dǎo)師田中群對(duì)他的培養(yǎng)，尤其是教導(dǎo)他養(yǎng)成良好的科研習(xí)慣。入學(xué)后，田中群教授很快便讓他參與大量的論文撰寫(xiě)和檢查工作，但是針對(duì)的不是正文內(nèi)容，而是論文的參考文獻(xiàn)部分。

在文獻(xiàn)管理軟件并不普及的年代，李劍鋒只能耐著性子，一篇篇查驗(yàn)參考文獻(xiàn)的出處是否屬實(shí)、一處處核對(duì)行文格式是否規(guī)范、一句句檢查標(biāo)點(diǎn)符號(hào)是否準(zhǔn)確……

當(dāng)年的李劍鋒有些不思其解，但隨著科研之路的深入，他也漸漸明白了導(dǎo)師的“良苦用心”。千里之行，始于足下，做實(shí)驗(yàn)、處理數(shù)據(jù)、寫(xiě)論文，無(wú)不需要對(duì)科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的鉆研和對(duì)細(xì)節(jié)無(wú)微不至的把控。

而今，李劍鋒作為導(dǎo)師也同樣以此要求自己的學(xué)生：不忽視任何一個(gè)“微不足道”的現(xiàn)象，關(guān)注每一個(gè)細(xì)節(jié)。

學(xué)生王耀輝對(duì)此深有感悟，在本篇文章的工作中，從殼層隔絕納米粒子的合成制備，到單晶電極的制備與預(yù)處理，再到界面水分子拉曼信號(hào)的采集，每個(gè)細(xì)節(jié)都需要投入萬(wàn)分的小心。

“光是實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備往往就需要花費(fèi)一整天的時(shí)間，任何一個(gè)小環(huán)節(jié)上出了差錯(cuò)，實(shí)驗(yàn)就要前功盡棄?！比饲笆侨в嘧值恼撐?，看不到的背后，卻是數(shù)年無(wú)數(shù)個(gè)細(xì)節(jié)的往復(fù)交織與日復(fù)一日的潛心鉆研。

沒(méi)有“想不到”，只有“敢不敢”

“敢為先，重細(xì)節(jié)，合為貴?！崩顒︿h以自己的方式詮釋著對(duì)學(xué)院高包容、高活力的科研文化氛圍的理解。他敢想敢拼，敢于挑戰(zhàn)做“別人沒(méi)做過(guò)的、做不到的事情”。

11年前在Nature上發(fā)表的那篇論文，其實(shí)來(lái)源于一個(gè)“美麗的錯(cuò)誤”。在一次實(shí)驗(yàn)中，李劍鋒想探究金納米粒子增強(qiáng)水分子拉曼信號(hào)的效果，但當(dāng)時(shí)手頭并沒(méi)有配套的金電極，只有一根鉑電極可供使用。根據(jù)以往的“常識(shí)”，樣品吸附在光亮鉑電極表面時(shí)不會(huì)產(chǎn)生增強(qiáng)的拉曼信號(hào)。由此，他判斷更換成光亮的鉑電極并不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，便使用鉑電極開(kāi)展了實(shí)驗(yàn)。

讓李劍鋒驚訝的是，這一個(gè)“錯(cuò)誤”的實(shí)驗(yàn)卻讓他發(fā)現(xiàn)了來(lái)自鉑電極表面吸附氫的拉曼信號(hào)。原來(lái)，金納米粒子產(chǎn)生的極強(qiáng)局域電磁場(chǎng)也可以增強(qiáng)附近鉑電極表面的拉曼信號(hào)。

一個(gè)新的設(shè)想由此迸發(fā)——他將樣品分子支撐基底和拉曼信號(hào)放大器在空間上進(jìn)行分離，由此發(fā)明了殼層隔絕納米粒子增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)。

這一技術(shù)解決了傳統(tǒng)表面增強(qiáng)拉曼無(wú)法用于非金銀銅材料和原子級(jí)平滑單晶表面的瓶頸問(wèn)題，開(kāi)辟了光譜學(xué)分析新方向，使得我國(guó)在該領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

2020年1月，由我校田中群院士領(lǐng)銜，任斌教授、李劍鋒教授、吳德印教授、劉國(guó)坤教授組成的研究團(tuán)隊(duì)完成的“電化學(xué)表面增強(qiáng)拉曼光譜學(xué)研究”項(xiàng)目榮獲2019年度國(guó)家自然科學(xué)二等獎(jiǎng)。

“失敗不是一件壞事，而是一件好事，因?yàn)橹辽偎芨嬖V你，這條路走不通。這從另一方面來(lái)說(shuō)就是一種成功?！崩顒︿h以此勉勵(lì)學(xué)生。從錯(cuò)誤中發(fā)現(xiàn)新的方向、從失敗中汲取新的靈感，李劍鋒總是在追求突破與創(chuàng)新，做“與眾不同”的事情。

“是這三個(gè)心臟支架延續(xù)了我的生命，也帶來(lái)了新的科研靈感?！崩顒︿h指了指自己的心口，提及人生中最難忘的一次經(jīng)歷，竟也與科研密不可分。

2018年李劍鋒在長(zhǎng)春出差時(shí)，零下二十多度的極寒天氣讓他突發(fā)心梗。在這次“死里逃生”后，李劍鋒開(kāi)始思考，將自己的科研技術(shù)更多地運(yùn)用在公共安全和生命健康方面。

急性心梗的黃金搶救時(shí)間是數(shù)十分鐘，而在救治前首先需要檢測(cè)判斷患者是否為心梗，目前最快的檢測(cè)手段需要15至20分鐘，但李劍鋒團(tuán)隊(duì)將拉曼光譜技術(shù)與心梗檢測(cè)技術(shù)結(jié)合起來(lái)，加快辨別判斷，將檢測(cè)時(shí)間縮短至6分鐘，可以為患者留出寶貴的搶救時(shí)間。

在危機(jī)中尋新機(jī)，在李劍鋒的人生字典里，沒(méi)有“想不到”，只有“敢不敢”。

用處多多的“拉曼光譜”

在旁人看來(lái)，李劍鋒研究的拉曼光譜是用于科學(xué)問(wèn)題研究的高端表征技術(shù)。但其實(shí)，它與我們的生活息息相關(guān)，且用處多多。鑒珠寶、驗(yàn)農(nóng)藥、測(cè)毒品……這些看似“無(wú)關(guān)”的事情，拉曼光譜都可以做到。

由莫桑鉆、鋯石，甚至是玻璃仿制的“鉆石”在市場(chǎng)上涌現(xiàn)，僅憑肉眼觀(guān)察，它們和天然鉆石一樣閃閃發(fā)光。“只需把未知成分的‘鉆石’放到拉曼光譜儀前，點(diǎn)擊掃描……”數(shù)秒后，真?zhèn)伪泔@示在屏幕上。手指在屏幕上輕輕一滑，還可以看到樣品的拉曼光譜圖。

“頻率位于1333 cm^-1處的單峰是屬于金剛石的的拉曼特征峰，也是鉆石唯一的特征峰。我們的儀器不僅可以鑒別鉆石，還可以檢測(cè)翡翠的真?zhèn)魏推焚|(zhì)。但凡翡翠或者其他珠寶玉石里存在微小雜質(zhì)，或經(jīng)過(guò)人工優(yōu)化處理填補(bǔ)過(guò)裂縫，我們都可以在譜圖中發(fā)現(xiàn)雜峰或是熒光背景。珠寶玉石質(zhì)量的優(yōu)劣也就顯而易見(jiàn)了?！?/p>

“我講課的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)帶著我們研制的手持拉曼儀和翡翠珠寶，給同學(xué)們演示如何快速鑒別珠寶的真假?！蓖瑫r(shí)，李劍鋒還開(kāi)設(shè)了拉曼光譜的本科實(shí)驗(yàn)課程，讓同學(xué)們沉浸式體驗(yàn)拉曼現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。在暑期學(xué)校的課堂上，他也試圖用簡(jiǎn)單平實(shí)的語(yǔ)言，為大家生動(dòng)地科普拉曼光譜。

“讓大家親身感受到拉曼光譜在日常生活中的作用，就能讓更多人了解我們正在做的事情?！?/p>

只需通過(guò)一根簡(jiǎn)單的棉簽，在疑似吸毒者接觸過(guò)的桌面、茶杯擦拭，再將樣品轉(zhuǎn)移到我們的毒品拉曼快檢儀上，簡(jiǎn)單幾個(gè)步驟，便可在十秒鐘快速識(shí)別有無(wú)毒品殘留。

基于拉曼技術(shù)的快速指紋識(shí)別能力，以及配上增強(qiáng)拉曼極高的檢測(cè)靈敏度，可以讓毒品無(wú)處遁形。李劍鋒課題組推出的毒品快檢儀已應(yīng)用在深圳海關(guān)、南寧海關(guān)等單位，數(shù)秒內(nèi)便可以快速篩查出跨境包裹中是否夾雜毒品。

“這款儀器搭載了拉曼增強(qiáng)芯片，該芯片能將分子的拉曼信號(hào)放大百萬(wàn)倍。相比于其他技術(shù)，我們的產(chǎn)品的檢測(cè)靈敏度非常高，樣品低至百萬(wàn)分之一（ppm）甚至億萬(wàn)分之一（ppb）的濃度時(shí)，我們?nèi)钥梢栽趲酌雰?nèi)指紋識(shí)別出多種毒品?！崩顒︿h介紹道，“我們還在繼續(xù)研究毒駕自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備。在未來(lái)，交警只需要取一些駕駛員的唾液，在幾十秒內(nèi)就可以判斷其是否有吸毒，吸了什么毒?！?/p>

俯身做科研，放眼看天下，胸懷“國(guó)之大者”。著眼國(guó)家和社會(huì)需求，讓科研走出實(shí)驗(yàn)室、走進(jìn)普羅大眾的日常生活中，讓成果在公共安全、生命健康等不同領(lǐng)域落地生花。

“震撼人心的科技，讓我們光芒四射。”這是李劍鋒寫(xiě)在產(chǎn)品畫(huà)冊(cè)扉頁(yè)上的話(huà)?？蒲袔Ыo李劍鋒的，是朝著興趣之路不斷開(kāi)拓的進(jìn)取心，是實(shí)現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)目標(biāo)后的成就感，是永遠(yuǎn)朝著下一個(gè)高峰矢志攀登的決心與勇氣。

“我期待著將來(lái)，循著老前輩的路，創(chuàng)新出一條有自己特色的路，為國(guó)家發(fā)展添磚加瓦?！泵鎸?duì)未來(lái)，李劍鋒如是說(shuō)。

參考資料：https://news.xmu.edu.cn/info/1002/42730.htm