卤素离子的水合过程与海水淡化和许多生物化学反应密切相关，所形成的卤素离子水合物在自然环境和工业生产中也广泛存在，因而卤素-水相互作用一直以来被广泛关注和研究。此前同济大学许维教授课题组利用扫描隧道显微镜(STM) 研究了卤化钠盐类在Au(111)表面上发生溶解过程中的卤素离子-水相互作用，证实了卤化钠盐溶解在表面上经Langmuir-Hinshelwood (LH) 过程实现，其中选择性地形成了稳定的卤素离子水合物并从表面脱附（ACS Nano 13, 6025-6032, 2019）。一般来说，发生在气固界面的反应根据经典的反应机理可分为两类，Eley-Rideal (ER) 过程和Langmuir-Hinshelwood (LH) 过程。ER过程指吸附物与气相分子直接发生反应的过程，LH过程指吸附物之间发生反应的过程。为了进一步明确无金属阳离子干扰的卤素-水相互作用，本工作选取碘(I₂)和水分子(H₂O)以及Au(111)和Ag(111)表面建立模型体系来研究单独的卤素水合作用，希望揭示水与卤素在表面相互作用的机制机理。

将碘沉积到Au(111)表面上，碘与金属表面相互作用解离成碘离子并自组装形成六方密排结构。室温条件下，将碘覆盖的Au(111)样品多次暴露于~10^-3 mbar压强的水氛围，X射线光电子能谱(XPS)显示，碘的特征峰强度逐步降低并最终消失；同时扫描隧道显微镜(STM)也显示表面上碘的自组装结构消失，仅观察到干净的Au(111)表面。碘从Au(111)表面上脱附的温度通常在670 K以上，由此可以推测室温条件下是水分子促进了碘从Au(111)表面脱附。水分子室温下很难吸附在Au(111)表面，只能以气相形式通过ER过程与吸附碘发生相互作用。因此，通过扫描隧道显微镜(STM)结合X射线光电子能谱(XPS)，证实了碘在Au(111)表面上的水合反应在室温条件下通过ER过程发生，形成碘的水合物并从表面脱附(图1)。采取相同的研究方法在Ag(111)表面上进行实验，由于碘和银表面相互作用较强，其水合过程在Ag(111)表面上很难发生。

为了更直观地显示Au(111)表面上碘量的变化，实验上进一步引入镍-酞菁分子(NiPc)，通过高分辨STM对I-NiPc共组装结构成像，实空间展示了逐步水合过程中表面上碘量的变化，从而进一步确定了室温条件下碘在Au(111)表面的水合过程。

图1. 吸附在Au(111)表面上的碘在室温条件下通过 Eley-Rideal过程发生水合，形成碘的水合物并从表面脱附。