廈門大學化學化工學院王韜教授、周志有教授、孫世剛院士團隊聯合德國于利希研究中心黃俊教授、中國科學院福建物質結構研究所陳俊翔副研究員等，通過時間分辨表面增強紅外吸收光譜與機器學習分子動力學模擬相結合的方法，揭示雙電層遠離平衡態時的界面分子結構和動態演化規律。相關成果9月2日發表于國際學術期刊《自然》。

帶電固-液界面是能量與物質轉化過程發生的核心場所。在電極與電解液接觸的納米尺度區域，電極表面電荷、離子和水分子共同形成“雙電層”。這一厚度僅為納米尺度的界面區域，卻存在極強的局域電場，直接影響分子吸附、離子輸運等過程。一直以來，經典雙電層理論將雙電層視為靜態不可壓縮結構，難以解釋實際電催化遠離平衡工況下，雙電層內離子、水分子與局域電場的實時響應重構過程。

該研究團隊建立了融合時間分辨表面增強紅外吸收光譜與機器學習分子動力學模擬的實驗-理論研究框架，在析氫反應(HER)條件下解析雙電層遠離平衡態時的界面分子結構和動態演化，并進一步建立了能夠描述真實反應界面的可壓縮雙電層模型。

研究發現，隨著極化增強，金屬電極的雙電層內層經歷了明顯的兩階段結構重構。第一階段，界面水發生取向變化;隨著極化進一步增強，進入第二階段，陽離子在界面富集并發生部分脫水，部分界面水被排出，導致雙電層內層結構發生坍縮。該結果為雙電層內層的可壓縮假設提供了直接譜學證據。

更為重要的是，當電位發生反向跳變時，雙電層的擴張并非簡單沿原路徑恢復，而是伴隨著高濃度陽離子快速離開電極界面，形成自由水含量較高的瞬態過渡結構。同時，雙電層的動態重構并不僅僅是結構上的變化，還會直接改變反應發生處的局域電場。隨著陽離子部分脫水并更加靠近電極，雙電層內離子濃度快速上升、內層厚度減小，界面局域電場顯著增強。這表明，外加電極電位與反應物實際感受到的局域電場之間并非簡單的線性對應關系，而是受到雙電層微觀結構的動態調控。

該研究揭示了遠離平衡態雙電層中“離子-水異步響應”的動態本質，使科學界對電化學界面的認識從傳統的穩態結構拓展到了真實反應過程中的動態演化。