再發Nature！廈大團隊揭示介面水分子結構

北京時間12月2日0時，

Nature

刊發廈門大學化學化工學院李劍鋒教授課題組

題為“In situ Raman spectroscopy reveals the structure and dissociation of interfacial water”（《原位拉曼光譜揭示介面水分子結構和其解離過程》）的研究論文。透過與北京大學深圳研究生院潘鋒教授課題組合作，他們

揭示了鈀單晶電極介面水分子構型及其在析氫反應中的核心機制

，為提升電催化反應速率提供了一種新的策略，解開了介面水分子結構如何調控電催化反應這一科研難題。

水是我們賴以生存的生命源泉，也是科學發展各個領域的重要角色。在可再生能源科學領域，水分子更是直接參與到眾多重要的電催化反應之中。可是，處於電極/溶液介面的水分子，作為反應過程的重要研究物件，數目遠遠低於體相水分子，而電極電勢的實時變化又將極大影響真實的反應程序，必須在電場控制的條件下進行原位研究才能如實獲得相關資訊。因此，關於介面水分子在電催化反應過程中的結構變化與作用機制的研究變得困難重重。

李劍鋒課題組利用

原位表面增強拉曼光譜技術

，在電催化析氫反應過程中，對鈀單晶電極/溶液介面水分子的構型及其動態變化過程進行實時監測。

他們發現，除了已知的含有氫鍵的水分子，介面上還有一類與陽離子鍵合的水分子。正是在陽離子和電極電勢協同作用下，無序的水分子排布成更為有序的特殊結構，

這種結構可以加速電極與水分子間的電荷轉移，進而極大提升電催化反應析氫的速率，為指導綠色制氫提供新的理論途徑

。

廈門大學化學化工學院博士畢業生王耀輝（現為廈門大學博士後）和鄭世勝（廈門大學能源學院本科畢業生，現北京大學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深圳研究生院的潘鋒教授為共同通訊作者。

（點選文末“閱讀原文”即可檢視論文）

延

伸

閱

讀

李劍鋒：

沉潛“增強拉曼光譜技術”

十一年又磨一劍

此次是李劍鋒教授第二次在

Nature

上發表文章。2010年，正是李劍鋒攻讀博士學位的最後一年，當年他在田中群教授課題組發明了一種新型的增強拉曼光譜技術，並將成果刊發於

Nature

。那是李劍鋒教授科研生涯中的第一篇

Nature

，也是

廈門大學作為第一單位登上Nature的首篇文章

。

凌晨四點的廈大是我獨愛的風景

時隔11年，李劍鋒率領自己的團隊再次在

Nature

上發表學術論文，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於十一年前發明的增強拉曼光譜技術，而研究的物件——單晶電極介面水分子，也是李劍鋒攻讀博士學位期間就開始刻苦鑽研的課題。

當年實驗裝置簡陋，機時緊張，

為了爭取多做實驗的機會，李劍鋒與同學錯峰而行，日夜顛倒地熬在實驗室裡，

凌晨四點的廈大是他獨愛的風景

。“那幾年的努力和堅持總算熬出了成果，但我變成了一個胖子。”李劍鋒自我調侃道。

不論是當年那個每天在實驗室熬到凌晨四點的李劍鋒，還是現在常在燈火通明的實驗室裡工作到深夜、“走得比學生更晚”的李劍鋒，他總是堅定地走著自己的路——成功是99%的努力加1%的天才，而99%的努力更重要，

努力、堅持、積累，必能成

。

傳承的另一方面，來源於當年李劍鋒的博士導師、化學化工學院田中群院士的言傳身教。

憶起當年，李劍鋒非常感謝導師田中群對他的培養，尤其是教導他養成良好的科研習慣。入學後，田中群教授很快便讓他參與大量的論文撰寫和檢查工作，但是針對的不是正文內容，而是論文的參考文獻部分。

在文獻管理軟體並不普及的年代，李劍鋒只能耐著性子，一篇篇查驗參考文獻的出處是否屬實、一處處核對行文格式是否規範、一句句檢查標點符號是否準確……

當年的李劍鋒有些不思其解，但隨著科研之路的深入，他也漸漸明白了導師的“良苦用心”。千里之行，始於足下，做實驗、處理資料、寫論文，無不需要對科學嚴謹認真的鑽研和對細節無微不至的把控。

而今，李劍鋒作為導師也同樣以此要求自己的學生：

不忽視任何一個“微不足道”的現象，關注每一個細節。

學生王耀輝對此深有感悟，在本篇文章的工作中，從殼層隔絕奈米粒子的合成製備，到單晶電極的製備與預處理，再到介面水分子拉曼訊號的採集，每個細節都需要投入萬分的小心。

“光是實驗的準備往往就需要花費一整天的時間，任何一個小環節上出了差錯，實驗就要前功盡棄。”人前是三千餘字的論文，看不到的背後，卻是數年無數個細節的往復交織與日復一日的潛心鑽研。

沒有“想不到”，只有“敢不敢”

“敢為先，重細節，合為貴。”李劍鋒以自己的方式詮釋著對學院高包容、高活力的科研文化氛圍的理解。他敢想敢拼，敢於挑戰做“別人沒做過的、做不到的事情”。

11年前

在Nature上

發表的那篇論文，其實來源於一個“美麗的錯誤”

。

在一次實驗中，李劍鋒想探究金奈米粒子增強水分子拉曼訊號的效果，但當時手頭並沒有配套的金電極，只有一根鉑電極可供使用。根據以往的“常識”，樣品吸附在光亮鉑電極表面時不會產生增強的拉曼訊號。由此，他判斷更換成光亮的鉑電極並不會對實驗結果產生影響，便使用鉑電極開展了實驗。

讓李劍鋒驚訝的是，這一個“錯誤”的實驗卻讓他發現了來自鉑電極表面吸附氫的拉曼訊號。原來，金奈米粒子產生的極強局域電磁場也可以增強附近鉑電極表面的拉曼訊號。

一個新的設想由此迸發——他將樣品分子支撐基底和拉曼訊號放大器在空間上進行分離，由此發明了

殼層隔絕奈米粒子增強拉曼光譜技術

。

這一技術解決了傳統表面增強拉曼無法用於非金銀銅材料和原子級平滑單晶表面的瓶頸問題，開闢了光譜學分析新方向，使得我國在該領域處於國際領先地位。

2020年1月，由我校田中群院士領銜，任斌教授、李劍鋒教授、吳德印教授、劉國坤教授組成的研究團隊完成的“電化學表面增強拉曼光譜學研究”專案

榮獲2019年度國家自然科學二等獎

。

“失敗不是一件壞事，而是一件好事，因為至少它能告訴你，這條路走不通。這從另一方面來說就是一種成功。”李劍鋒以此勉勵學生。從錯誤中發現新的方向、從失敗中汲取新的靈感，李劍鋒總是在追求突破與創新，做“與眾不同”的事情。

“是這三個心臟支架延續了我的生命，也帶來了新的科研靈感。”李劍鋒指了指自己的心口，提及人生中最難忘的一次經歷，竟也與科研密不可分。

2018年李劍鋒在長春出差時，零下二十多度的極寒天氣讓他突發心梗。在這次“死裡逃生”後，李劍鋒開始思考，將自己的科研技術更多地運用在公共安全和生命健康方面。

急性心梗的黃金搶救時間是數十分鐘，而在救治前首先需要檢測判斷患者是否為心梗，目前最快的檢測手段需要15至20分鐘，

但李劍鋒團隊將拉曼光譜技術與心梗檢測技術結合起來，加快辨別判斷，將檢測時間縮短至6分鐘

，可以為患者留出寶貴的搶救時間。

在危機中尋新機，在李劍鋒的人生字典裡，沒有“想不到”，只有“敢不敢”。

用處多多的“拉曼光譜”

在旁人看來，李劍鋒研究的拉曼光譜是用於科學問題研究的高階表徵技術。但其實，它與我們的生活息息相關，且用處多多。

鑑珠寶、驗農藥、測毒品……這些看似“無關”的事情，拉曼光譜都可以做到

。

由莫桑鑽、鋯石，甚至是玻璃仿製的“鑽石”在市場上湧現，僅憑肉眼觀察，它們和天然鑽石一樣閃閃發光。

“只需把未知成分的‘鑽石’放到拉曼光譜儀前，點選掃描……”

數秒後，真偽便顯示在螢幕上。手指在螢幕上輕輕一滑，還可以看到樣品的拉曼光譜圖。

“頻率位於1333 cm^-1處的單峰是屬於金剛石的的拉曼特徵峰，也是鑽石唯一的特徵峰。我們的儀器不僅可以鑑別鑽石，還可以檢測翡翠的真偽和品質。但凡翡翠或者其他珠寶玉石裡存在微小雜質，或經過人工最佳化處理填補過裂縫，我們都可以在譜圖中發現雜峰或是熒光背景。珠寶玉石質量的優劣也就顯而易見了。”

“我講課的時候，經常會帶著我們研製的手持拉曼儀和翡翠珠寶，給同學們演示如何快速鑑別珠寶的真假。”同時，李劍鋒還開設了拉曼光譜的本科實驗課程，讓同學們沉浸式體驗拉曼現場檢測。在暑期學校的課堂上，他也試圖用簡單平實的語言，為大家生動地科普拉曼光譜。

“讓大家親身感受到拉曼光譜在日常生活中的作用，就能讓更多人瞭解我們正在做的事情。”

只需透過一根簡單的棉籤，在疑似吸毒者接觸過的桌面、茶杯擦拭，再將樣品轉移到我們的毒品拉曼快檢儀上，簡單幾個步驟，便可在十秒鐘快速識別有無毒品殘留。

基於拉曼技術的快速指紋識別能力，以及配上增強拉曼極高的檢測靈敏度，可以讓毒品無處遁形

。

李劍鋒課題組推出的毒品快檢儀已應用在深圳海關、南寧海關等單位，

數秒內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晶片，該晶片能將分子的拉曼訊號放大百萬倍。相比於其他技術，我們的產品的檢測靈敏度非常高，樣品低至百萬分之一（ppm）甚至億萬分之一（ppb）的濃度時，我們仍可以在幾秒內指紋識別出多種毒品。”李劍鋒介紹道，“我們還在繼續研究毒駕自動化檢測裝置。在未來，交警只需要取一些駕駛員的唾液，在幾十秒內就可以判斷其是否有吸毒，吸了什麼毒。”