氧化石墨烯是二維材料中的后起之秀，但它與液體水的相互作用從根本上仍然是一個開放性問題：原子級的實驗表征很困難，再者用傳統(tǒng)方法模擬無法恰當描述其化學活性。這里，通過對液體水中氧化石墨烯（GO）進行真實的第一性原理分子模擬，將簡單的計算模擬與復(fù)雜的實驗結(jié)合在了一起。我們構(gòu)建了化學精確的GO模型，并研究其在水中的行為，實驗表明：含氧官能團（羥基和環(huán)氧化物）優(yōu)先聚集在氧化石墨烯層上。該工作還證明了GO在水中的特定性質(zhì)，即親水性和快速的水動力學同時存在，這樣的結(jié)合非同尋常。最后還證明了GO在水中是具有化學活性的，其平均負電荷數(shù)量級為10 mC m-2。文中的理論計算強調(diào)了GO結(jié)構(gòu)的獨特性，可用作脫鹽和水凈化的創(chuàng)新膜。
Figure 1. 此工作中所研究的氧化石墨烯的模型。
Figure 2. 氧化石墨烯的結(jié)構(gòu)性質(zhì)。報半導(dǎo)體（黑色）和無序（紅色）氧化石墨烯模型的（a）C–C距離d
C–C，（b）CCC角度和（c）COC角度直方圖，（d）GO分別在真空狀態(tài)下（虛線）和在水中時（實線）的COH角度直方圖，（e）Table 3中不同H鍵類型。
Figure 3.分子動力學模擬學圖。半導(dǎo)體氧化石墨烯模型在水中的軌跡。（a）環(huán)氧官能團打開，導(dǎo)致兩性離子型的氧化石墨烯形成，創(chuàng)造了無凈電荷GO片，（b）表面羥基的去質(zhì)子化，導(dǎo)致液體水中的表面醇化物形成（藍色陰影圓圈）和過量的質(zhì)子化（橙色）。
Figure 4. 氧化石墨烯在液體水中的動力學過程。GO表面中性官能團（左圖）數(shù)量隨時間的演變情況，GO表面或在水中的帶電荷物質(zhì)數(shù)量隨時間的演變情況（右圖）。（a）–OH官能團，（b）環(huán)氧化合物，(c)表面醇化物，（d）H3O+。
該研究工作由巴黎文理研究大學Marie-Laure Bocquet課題組于2020年發(fā)表在Nature Communication國際頂級期刊上。原文：Structure and chemistry of graphene oxide in liquid water from first principles
