表界面化学是能源、环境和生命等前沿科学领域的核心。在分子水平上表征表界面化学对阐明上述科学领域关键科学问题的化学本质具有重要的意义。但是，表界面层极薄、其物种复杂性及高度动态性对化学测量学提出了巨大挑战。飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）是近年来得以迅速发展的先进表界面分析技术。然而，作为一种基于高真空环境的分析技术，SIMS难以直接分析涉及到液体的表界面。 

　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所活体分析化学实验室汪福意研究员课题组近年来针对动态表界面分析这一前沿科学问题，针对诸多重要表界面过程仍处于“黑箱”状态的研究现状，基于高化学稳定、高真空兼容的微流控装置，将一系列液体表面以及固液界面引入超高真空的SIMS分析系统中，发展了多场景适用的，具有高界面敏感（ppm）、高时间分辨（μs）、超薄信息深度（nm）和“软”电离等特性的原位液相ToF-SIMS新技术，以直接分子证据可视化追踪液体表面/固液界面的微观弱相互作用（Anal. Chem., 2018, 90, 3341; Anal. Chem., 2019, 91, 7039），并原位实时监测界面电化学双电层结构、反应中间体、鉴定电催化活性位点等（Anal. Chem., 2017, 89, 960; ACS Energy Lett., 2019, 4, 215; J. Phys. Chem. Lett., 2021, 12, 5279; Chem. Comm., 2023, 59, 8412）。原位液相ToF-SIMS是迄今为止唯一已知可原位探测固液界面的质谱分析技术，为揭示电化学、能源、环境、生命等领域重要表界面微观结构的时空演化机理及界面构效关系提供了高效、独特的研究平台。 

　　汪福意研究员课题组与中国科学院生态环境研究中心曲久辉院士/胡承志研究员团队合作，将原位液相SIMS技术拓展至纳米孔道膜分离过程中的固液界面分析，原位捕获了离子水簇在纳滤膜孔道传输过程的水合形态变化，提供了基于水簇结构转化与其膜孔传输适配的纳滤膜分离技术原理，为高性能纳滤膜材料开发与膜分离系统优化提供了实验依据。相关研究成果发表在近期的Sci. Adv.（2023, 9, eadf8412）和ACS Nano（2023, 17, 12629）上，汪福意研究员课题组张燕燕副研究员为论文共同通讯作者。 

　　汪福意研究员课题组还与南昌大学陈义旺/胡笑添教授团队合作，独创性地发展原位液相SIMS技术研究钙钛矿太阳能电池领域饱受困扰的前驱体溶液老化之谜，以直接分子证据揭示了三阳离子混合卤化物钙钛矿前驱体溶液在长期存储过程中的老化反应机制。进而，针对前驱体离子老化机制，提出了Lewis酸/碱添加剂减缓钙钛矿溶液老化的策略，并深入阐释了添加剂化学结构与其抑制老化效果之间的构效关系。该研究工作表明，强大的原位液相ToF-SIMS新技术可作为“分子眼”促进对钙钛矿溶液化学的深入理解，推动钙钛矿器件产业化策略的设计和开发。这一研究成果发表在Angew. Chem. Int. Ed.(2023,62,e202215799)上，张燕燕副研究员为第一作者，汪福意研究员为论文共同通讯作者。进一步地，以低维钙钛矿前驱体溶液中的胶体粒子作为研究对象，率先应用原位液相ToF-SIMS可视化间隔阳离子参与的胶体组装行为，揭示氢键作用与量子阱结构优化的新机制，为实现高效低维钙钛矿太阳电池印刷提供了实验依据。研究成果发表在近期的Angew. Chem. Int. Ed.（2023, 62, e202303177）上，张燕燕副研究员为论文共同通讯作者。 

液相ToF-SIMS原位剖析钙钛矿溶液老化化学及抑制老化作用机制

活体分析化学院重点实验室

2023年8月15日