固液界面静电吸附是一种基本的物理化学现象,典型的应用是超级电容。超级电容具有超快的充放电时间、超高的功率密度和超长的循环寿命等优点,在新能源发电系统、电力交通和国防军事等领域具有广阔的应用前景。随着以石墨烯为代表的新型纳米储能材料以及凝胶聚合物、离子液体和“water in salt”等新型电解液的发展,静电吸附能质传递过程呈现显著的纳米尺度特殊效应,使得基于无限大平板空间和平均场方法传统理论无法对其进行精确描述。因此,亟需理解静电吸附储能新体系中固液界面能质传递过程微观机理,为构建高性能超级电容储能装置提供理论指导。基于上述背景,论文通过电化学石英晶体微天平原位测试和分子动力学模拟相结合的研究方法,聚焦“不同种类电解液/石墨烯二维纳米通道结构”体系的固液界面静电吸附能质传递过程,全面解析了离子微观传输机制和排布特性,发展了相关理论。针对水系电解液/石墨烯纳米通道体系,通过电化学石英晶体微天平原位测试对比孔径/层间距相近的活性炭(～1.13 nm)和石墨烯(～1.07 nm)电极的静电吸附能质传递过程。发现与活性炭异性离子吸附为主不同,石墨烯在该过程中离子传输机制以单一离子主导的离子交换为主。原因在于活性炭内离子传输阻力大,能质传递过程主要通过吸附体相电解液中异性离子实现;而石墨烯内离子传输阻力小,能质传递过程由二维纳米通道内离子和体相电解液中离子交换实现,此时动力学性能更好的离子贡献的比例更高。进一步对层间距在0.4 nm～2.0 nm范围的石墨烯开展电化学石英晶体微天平原位测试,同时通过分子动力学模拟计算了离子在相应石墨烯纳米通道内的扩散系数,揭示阴阳离子扩散系数差异决定了石墨烯静电吸附能质传递过程离子传输机制。该结论进一步在不同种类水系电解液中得到验证。因此,可以通过改变石墨烯层间距或电解液种类有效调控离子传输机制,获得更快离子传输速率以实现超级电容更高功率密度。针对凝胶聚合物电解液/石墨烯纳米通道体系,结合电化学石英晶体微天平原位测试结果和界面非平衡态热力学相关理论,基于时间微元的概念建立静电吸附能质传递过程离子传输模型。以氯化锂为电解质、聚乙烯醇为聚合物组成凝胶聚合物电解液,定量获得不同聚乙烯醇浓度电解液体系中阴阳离子进出石墨烯纳米通道的实时通量。由于阳离子与聚乙烯醇中羟基发生强相互作用,能质传递过程中聚乙烯醇对阳离子传输的阻碍比阴离子更明显。进一步通过分子动力学模拟研究了热力学平衡态下固液界面电解液的微观排布特性,发现聚乙烯醇表现出“尺寸效应”(占据界面空间排挤离子,不利于储能)和“静电屏蔽效应”(提高界面介电常数有效分离阴阳离子,有利于储能)。在它们的共同作用下,静电吸附储能性能随聚乙烯醇浓度的增加呈现先增加后减小的变化趋势。针对离子液体电解液/石墨烯纳米通道体系,结合恒电势分子动力学模拟和传输线模型建立起微观离子传输和宏观电化学阻抗之间的内在联系。由此获得了静电吸附储能不同阶段离子在二维纳米通道内的传输阻抗,发现其随石墨烯电势的升高呈现震荡变化趋势。该现象与储能不同阶段体系中固液界面相互作用和离子间相互作用相对强弱相关。此外,根据非平衡态热力学相关理论,基于时间微元的概念建立了静电吸附储能过程界面离子传输模型,研究了充放电速率对静电吸附储能性能和离子传输机制的影响。发现低充放电速率条件下,石墨烯存储电荷量和离子通量随时间(电势)的响应与热力学平衡态十分接近。而在高充放电速率条件下,同性离子脱附显著偏离热力学平衡态,即同性离子传输受阻是造成高充放电速率下静电吸附储能容量下降的主要原因。针对“water in salt”电解液/石墨烯纳米通道体系,以双三氟甲烷磺酰亚胺锂作为电解质分别构建了“salt in water”电解液和“water in salt”电解液模型,通过分子动力学模拟系统地比较了两种电解液在石墨烯纳米通道内的微观排布特性。发现不同电解液体系中阳离子在负极石墨烯纳米通道内的排布特性存在显著差异,主要原因是游离水分子数目的不同。此外,由于石墨烯纳米通道内电解液与电极之间存在较强的相互作用,削弱了掺杂原子的作用,使得上述电解液体系在氮掺杂石墨烯纳米通道内的微观排布没有表现出特殊性。