1月28日，《物理評論快報》（Physical Review Letters）在線刊發了能源學院馮光教授課題組關于恒電勢分子模擬方法的最新研究成果。論文題目為“考慮電子溢出效應的雙電層恒電勢模擬（Constant-potential modeling of electrical double layers accounting for electron spillover）”，華中科技大學為唯一通訊單位，博士生王禎祥與博士后陳明為共同一作，通訊作者為馮光教授。

電極與電解液形成的固液界面雙電層在電化學體系中廣泛存在。從分子層面探究雙電層的微觀結構與動態響應，來揭示電化學界面的形成機制，是研究電化學體系的關鍵所在。恒電勢分子模擬是研究雙電層的重要工具；然而，在金屬電極-水溶液界面基準體系上，常規恒電勢方法預測的微分電容，通常比實驗小一個量級，且隨電壓變化不大——與實驗給出的鐘形電容曲線定性不同，這成為了利用恒電勢分子模擬方法研究雙電層體系的熱點與難點。

圖為考慮電子溢出效應分子模擬方法的示意圖（a）雙電層界面的電極誘導電荷；（b）誘導電荷的多極矩展開；（c）誘導電荷分布的示意圖。紅色、藍色等值面分別代表正電和負電。

針對上述問題，研究團隊開發了考慮電極電子溢出效應的恒電勢分子動力學模擬方法，深入研究了金電極-水溶液界面的基準體系，解析了其微分電容和界面結構以及充電動態過程。結果表明，新方法得到的現象與常規恒電勢方法存在顯著不同——其揭示的微分電容與界面結構與實驗定量吻合，充電過程與理論吻合，從而解決了常規恒電勢方法無法準確模擬金屬-水溶液界面的難題。同時，該工作通過有效結合第一性原理計算和分子動力學模擬的優點，實現了對百萬原子量級的雙電層體系的分子模擬，其計算效率媲美常規恒電勢方法。此外，該工作對于界面結構以及充電過程的分子尺度機理剖析有助于理解其他電化學領域，如電池、電催化、電鍍和電容去離子領域。

該工作得到了廈門大學毛秉偉、顏佳偉教授團隊，國家自然科學基金項目和華中科技大學學術前沿青年團隊的資助以及武漢超算中心的支持。