基于氧化石墨烯(GO)和離子液體(ILs)之間界面的超級(jí)電容器是一種有吸引力且潛在安全的儲(chǔ)能解決方案，因?yàn)榕c許多傳統(tǒng)電解質(zhì)相比，氧化石墨烯電解質(zhì)的揮發(fā)性低，而且使用GO作為電極的成本效益高。分子動(dòng)力學(xué)(MD)模擬可以為這些電解質(zhì)-電極界面的原子尺度結(jié)構(gòu)提供關(guān)鍵的見(jiàn)解。然而，之前的GO - IL界面模擬研究通常將GO建模為理想化的單層完整石墨烯，其羥基和環(huán)氧基分布接近均勻。這些模型忽略了已知的氧化石墨烯結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，如渦輪層層堆積、側(cè)層間隙和孔隙的存在、非均勻氧基分布以及導(dǎo)致粗糙度的拓?fù)淙毕荨１疚膱?bào)道了典型IL電解質(zhì)乙基甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)亞胺[EMIM][TFSI]與三種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的多層氧化石墨烯堆疊界面的MD模擬:一種具有異質(zhì)氧分布和缺陷，一種是氧含量低的“老化”變體，以及一種具有均勻氧分布，表面平坦且無(wú)缺陷的傳統(tǒng)模型。探討了水的存在對(duì)界面結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，在總平均表面氧含量相似的情況下，與均勻氧分布的光滑氧化石墨烯表面相比，非均質(zhì)氧分布和亞納米級(jí)表面粗糙度不會(huì)顯著改變界面處的IL結(jié)構(gòu)。然而，少量水的存在大大增加了界面和散裝液體中的離子遷移率，并被發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)了氧化石墨烯薄片橫向邊緣的離子遷移率。這些發(fā)現(xiàn)有助于理解如何設(shè)計(jì)基于GO-IL的儲(chǔ)能材料。
圖1. 三個(gè)氧化石墨烯堆的快照，其中原子由球體表示，并按元素著色:碳，灰色;
氧氣,紅色;氫是白色的。為清楚起見(jiàn)，沒(méi)有顯示IL原子。
圖2. (a,b)陽(yáng)離子EMIM分子和陰離子TFSI分子的分子結(jié)構(gòu)。(c)新鮮GO - IL界面(干)，其中EMIM原子為綠色，TFSI原子為紫色，GO原子元素顏色為碳灰色，氧紅色，氫白色。
圖3. 比較經(jīng)過(guò)粗糙度校正的EMIM、TFSI和總IL垂直密度分布在新鮮(藍(lán)線)、老化(橙線)和LK(綠線)GO - IL接口之間，注意GO堆疊的起始點(diǎn)被設(shè)置為零，并由垂直黑線表示。
圖4. (a)氧化石墨烯界面上第一IL層的EMIM環(huán)角與z-cell尺寸的概率分布。
(b)第一IL層遠(yuǎn)端CF
3組間TFSI二面角的概率分布。
圖5. 上氧化石墨烯界面第一IL層離子遷移率的比較。上氧化石墨烯表面的圖像顯示在頂部一行，而底部一行的顏色圖表示在30 ns的過(guò)程中任何點(diǎn)被陽(yáng)離子(藍(lán)色)和陰離子(紅色)占據(jù)的空間區(qū)域。對(duì)于新鮮氧化石墨烯，缺乏氧含量的表面的石墨疇在底部的顏色圖上用綠色輪廓表示。
圖6.對(duì)于上(上行)和下(下行)氧化石墨烯表面，經(jīng)過(guò)粗糙度校正的EMIM(綠線)、TFSI(紫線)和總IL(橙線)之間的垂直質(zhì)量密度分布，干的GO - IL界面以深色線表示，濕的GO - IL界面以淺色線表示。氧化石墨烯表面的起始點(diǎn)由垂直的黑線表示。
圖7.上下GO-IL界面的水質(zhì)量密度分布(粗糙度校正)。
圖8.氧化石墨烯界面上初級(jí)層中IL的取向分布。(a)干界面(黑線)和濕界面(亮線)的EMIM環(huán)法線與z單元胞向量的概率分布。黑色虛線表示均勻角度樣本的函數(shù)形式。(b)干(黑線)和濕(亮線)界面的遠(yuǎn)端CF
3位點(diǎn)間TFSI二面角分布。
圖9.較低氧化石墨烯界面上第一IL層離子遷移率的比較。較低氧化石墨烯表面的圖像顯示在最上面一行(為了清晰起見(jiàn)，除氧化石墨烯外的所有原子都被去除)。下一行的顏色圖表示在30 ns的過(guò)程中，任何點(diǎn)上陽(yáng)離子(藍(lán)色)和陰離子(紅色)所占據(jù)的空間區(qū)域。
圖10.比較干(深色)和濕(淺色)界面之間每個(gè)氧化石墨烯堆疊中按氧計(jì)數(shù)歸一化的平均氫鍵數(shù)。不確定度條表示離平均值一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。
相關(guān)研究成果由迪肯大學(xué)
Filip Vukovi?和Tiffany R. Walsh課題組2024年發(fā)表在
The Journal of Physical Chemistry C (鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c04166)上。原文：Effects of Surface Complexity and Moisture on Graphene Oxide–Ionic Liquid Interfaces
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
