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馮光教授團隊成果在《自然?通訊》上發表

發布日期:2018-12-07    作者:     來源:     點擊:

本站訊  12月4日,《自然?通訊》(Nature Communications)在線刊發了我院馮光教授團隊關于含水離子液體固液界面的最新研究成果。論文題目為《最小化受潮離子液體中的水在電極表面的吸附》(Minimizing the electrosorption of water from humid ionic liquids on electrodes);能源學院煤燃燒國家重點實驗室為第一單位。

  離子液體僅由陰陽離子組成,在室溫下呈液態。除了熱穩定性好2044彩票网站、揮發性低、不可燃不爆炸等優點,相比常用的水或有機溶液電解質,離子液體具有更高的工作電壓(4~6 V)。近些年來,用作儲能裝置(如電池和超級電容器)2044彩票网站、電潤濕技術、場效應晶體管、電化學傳感器等所需的電解質,離子液體正受到越來越多研究者的關注和重視。然而,因其固有的吸水性,離子液體中的水總是難以被徹底除去。針對離子液體含水的影響,馮光教授的前期工作(ACS Nano 2014, 8, 11685)通過納米尺度模擬計算預測出,在形成電極-離子液體雙電層固液界面的過程中,離子液體中的水將會富集在電極表面上,而使器件/設備的工作電壓變小,最終導致其工作性能降低——隨后,該理論預測得到了許多實驗與模擬工作的證實。因此,如何減小受潮離子液體中水的負面影響(在電極表面上的吸附),成為了離子液體電解質應用領域內亟需解決的核心問題之一。


模擬示意圖2044彩票网站。

(a)分子動力學模擬系統圖;(b)所用離子液體的陰陽離子結構圖。


   馮光教授團隊利用分子動力學模擬計算為研究手段2044彩票网站,以離子液體的親/疏水性為突破口,發現采用親水性離子液體可以有效避免受潮離子液體中的水吸附在負電極表面上,從而可以避免工作電壓的降低;這一方案適用于具有不同材質的電極(如金電極與碳電極)2044彩票网站。根據模擬結果分析,進一步闡述了相應的微觀作用機制和實現原理:來自于電極和離子液體的范德華和靜電作用——決定了水的賦存狀態,使得親水性離子液體中的水遠離了電極表面。模擬預測的結果被團隊的廈門大學合作者給予了實驗證實。


    不同電壓作用下水在電極表面上的吸附情況:疏水離子液體[pyr14][TFSI]與親水離子液體[BMIM][BF4]中的水在金電極(a-b)與炭電極(c-d)上的電吸附。enrichment(depletion)表示,與遠離電極處的體相電解液相比,電極表面吸附了更多(少)的水。

    該工作從微觀界面與能質傳遞角度出發,以儲能器件中的電極-電解質固液界面為研究對象2044彩票网站,探究了不同離子液體對電極表面上吸附水的影響規律及其作用機理,并給出了解決方案和實現原理。這一研究結果不但有助于人們進一步認知離子液體超級電容器的儲能機制,給超級電容器的開發與設計提供新思路、新方案,而且有利于離子液體在其他以電極-電解質固液界面為關鍵點的領域內的應用,同時有助于研究者利用模擬計算手段去探究微納尺度界面與能質傳遞現象。



    該論文的第一、二作者為能源學院的博士生畢晟、王潤曦,通訊作者為馮光教授、廈門大學顏佳偉教授和英國帝國理工學院Kornyshev教授。該工作得到了國家自然科學基金項目和深圳市科技計劃基礎研究項目的資助2044彩票网站。


論文鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41467-018-07674-0


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