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在狭小的空间内进入熔融盐的结构

信息来源:星火计划 发布时间:【2020-08-15 】 点击次数:
室温离子液体(ILs)是一类特殊的熔融盐,由于具有一系列新颖且可调节的性能,因此与常规水溶液相比,具有更高的电化学性能。在过去的二十年中,人们一直在探索利用离子液体作为改进一系列不同技术的手段,从能量存储和转换到催化再到金属和半导体的电镀。
同步辐射X射线束撞击到限制在石墨碳缝隙中的离子液体分子上。背景中的X射线散射揭示了有关纳米约束下其结构的新细节,这些细节已通过量子模拟验证。图片来源:Liam Krauss / LLNL
IL可以在其上留下深刻印象的一个主要例子是碳基超级电容器,该电容器在纳米孔电极-电解质界面处存储电能。IL在此接口处的组装方式决定了存储的能量数量以及设备中的充电和放电速率。但是,全面的结构见解发展缓慢,因为界面和受限状态下的电解质行为难以解决。对于显示大体积,柔性和广泛变化的分子构型的IL尤其如此。
 
在最近发表在《物理化学快报》上的研究中,劳伦斯·利弗莫尔国家实验室(LLNL)的科学家将X射线实验与高保真模拟相结合,以研究广泛用于超级电容器的碳纳米孔中的广泛使用的IL系列。这项工作是首次结合第一性原理分子动力学和X射线散射来分析空间受限IL的研究,从而使人们能够对仅在这些异常小空间中发生的奇异特性提供新见解。
 
该小组通过实验检测到IL的极端破坏,这是由其模拟唯一预测和解释的。该团队还证明了与典型液体行为的偏差如何在很大程度上取决于离子和孔隙的相对大小。最后,尽管在受限条件下结构发生了明显变化,但研究表明IL的优异电化学稳定性仍保持不变,这对于维持储能装置的性能非常重要。
 
LLNL的Tuan Anh Pham说:“真正的成功是量子力学模拟,量身定制的纳米材料合成和先进的X射线表征之间的集成。这种强大的技术组合提供了对非常窄的多孔碳中IL结构的更完整的理解。”量子模拟小组的科学家,论文的主要作者。“这项研究代表了LLNL在建立能源材料领域的跨学科合作方面的持续努力,例如未来能源应用实验室。”
 
LLNL的研究人员和论文的合著者Colin Loeb和Patrick Campbell利用实验室的特殊知识来合成调整高表面积纳米多孔碳气凝胶中的孔径。这种新颖的材料性能使该团队能够用同步加速器X射线探测离子液体的不同约束状态,并将约束作用对结构的影响综合在一起。
 
为了这项工作,LLNL与德国拜罗伊特大学建立了新的合作关系,以利用表征中尺度结构的关键专业知识。
 
拜罗伊特大学化学系教授,共同作者之一米里贾姆·佐贝尔说:“界面科学是一个令人兴奋的领域,在这里我们只是从表面上对实际发生的事情有了原子性的了解。”在书房上。“成为这个国际团队的一员,并扩展我们对复杂液体的界面重组的知识,这是一次有益的经历。”
 
LLNL科学家兼该项目的首席研究员埃里克·梅肖特(Eric Meshot)表示:“我喜欢我们团队的不同方面如何突破它们在技术上或科学上的局限性,以实现真正的整合。” “我们能够发现一些关键的基本见解,这些见解对储能设备具有重要的实际意义。现在,我们处于独特的位置,可以更多地考虑这些见解如何使实际应用受益。”
 

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