水介质中石墨烯/SiO2复合材料的界面稳定性与受限结构

《ChemPhysChem》：Interfacial Stability and Confined Structures for Graphene/SiO2 Composites in Water Media

基于分子模拟研究水环境中石墨烯/SiO2界面吸附行为，揭示了亲水性差异对界面结合力的影响机制，发现高亲水性SiO2表面因水合层竞争作用导致界面结合能降低，水合层厚度与界面稳定性呈正相关。

　　

摘要

孤立的单层石墨烯可以与二氧化硅（SiO₂）结合，用于制造基于石墨烯的纳米电子设备。在潮湿环境中制备的异质结复合材料已被应用于环境监测、光学检测和健康传感器领域。然而，石墨烯与二氧化硅基底之间的界面稳定性和结构尚未得到充分研究。本文通过分子模拟研究了石墨烯/SiO₂复合界面在水介质中的粘附行为。考虑了不同类型的二氧化硅表面及其不同的亲水性程度，并通过热力学自由能计算来表征界面相互作用。由此可以确定石墨烯脱离所需的能量障碍。二氧化硅基底对石墨烯的亲和力存在差异，同时建立了粘附强度与基底类型之间的关系。在较高亲水条件下，附着的石墨烯片层可以很容易地从二氧化硅基底上分离；而在干燥条件下则不会出现这种现象，这归因于界面水化力与基底相互作用之间的竞争作用。此外，还研究了含有水层的石墨烯-二氧化硅界面的形态变化和水化结构，这些因素对界面稳定性至关重要。我们的模拟结果为水环境中石墨烯-SiO₂系统的界面状态和结构提供了新的微观见解。

图形摘要

热力学自由能计算确定了两种稳定的石墨烯-SiO₂界面粘附状态，分别对应于层间空间内存在一层和两层水化层（1W和2W）。在亲水性较高的二氧化硅基底上，附着的石墨烯片层在基底上的接触稳定性较低。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

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