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冯光教授团队成果在《自然•通讯》上发表

发布日期:2018-12-07    作者:     来源:     点击:

本站讯  12月4日,《自然•通讯》(Nature Communications)在线刊发了我院冯光教授团队关于含水离子液体固液界面的最新研究成果。论文题目为《最小化受潮离子液体中的水在电极表面的吸附》(Minimizing the electrosorption of water from humid ionic liquids on electrodes);能源学院煤燃烧国家重点实验室为第一单位。

  离子液体仅由阴阳离子组成,在室温下呈液态。除了热稳定性好、挥发性低、不可燃不爆炸等优点,相比常用的水或有机溶液电解质,离子液体具有更高的工作电压(4~6 V)。近些年来,用作储能装置(如电池和超级电容器)、电润湿技术、场效应晶体管、电化学传感器等所需的电解质,离子液体正受到越来越多研究者的关注和重视。然而,因其固有的吸水性,离子液体中的水总是难以被彻底除去。针对离子液体含水的影响,冯光教授的前期工作(ACS Nano 2014, 8, 11685)通过纳米尺度模拟计算预测出,在形成电极-离子液体双电层固液界面的过程中,离子液体中的水将会富集在电极表面上,而使器件/设备的工作电压变小,最终导致其工作性能降低——随后,该理论预测得到了许多实验与模拟工作的证实。因此,如何减小受潮离子液体中水的负面影响(在电极表面上的吸附),成为了离子液体电解质应用领域内亟需解决的核心问题之一。


模拟示意图。

(a)分子动力学模拟系统图;(b)所用离子液体的阴阳离子结构图。


   冯光教授团队利用分子动力学模拟计算为研究手段,以离子液体的亲/疏水性为突破口,发现采用亲水性离子液体可以有效避免受潮离子液体中的水吸附在负电极表面上,从而可以避免工作电压的降低;这一方案适用于具有不同材质的电极(如金电极与碳电极)。根据模拟结果分析,进一步阐述了相应的微观作用机制和实现原理:来自于电极和离子液体的范德华和静电作用——决定了水的赋存状态,使得亲水性离子液体中的水远离了电极表面。模拟预测的结果被团队的厦门大学合作者给予了实验证实。


    不同电压作用下水在电极表面上的吸附情况:疏水离子液体[pyr14][TFSI]与亲水离子液体[BMIM][BF4]中的水在金电极(a-b)与炭电极(c-d)上的电吸附。enrichment(depletion)表示,与远离电极处的体相电解液相比,电极表面吸附了更多(少)的水。

    该工作从微观界面与能质传递角度出发,以储能器件中的电极-电解质固液界面为研究对象,探究了不同离子液体对电极表面上吸附水的影响规律及其作用机理,并给出了解决方案和实现原理。这一研究结果不但有助于人们进一步认知离子液体超级电容器的储能机制,给超级电容器的开发与设计提供新思路、新方案,而且有利于离子液体在其他以电极-电解质固液界面为关键点的领域内的应用,同时有助于研究者利用模拟计算手段去探究微纳尺度界面与能质传递现象。



    该论文的第一、二作者为能源学院的博士生毕晟、王润曦,通讯作者为冯光教授、厦门大学颜佳伟教授和英国帝国理工学院Kornyshev教授。该工作得到了国家自然科学基金项目和深圳市科技计划基础研究项目的资助。


论文链接:

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