【摘 要】
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离子液体(Ionic Liquids,ILs)作为一种新型绿色材料,已成为工业应用中新型溶剂、电解质的重要候选者。ILs作为新型溶剂的主要缺点是其粘度较高,将ILs和极性相近的乙醇混合可以显著降低粘度。ILs/乙醇混合物已在催化反应、有机合成等领域显示出不同于传统溶剂的优良特性。当ILs电解质应用于超级电容器时,石墨烯作为一种具有高比表面积、高电导率和优良化学特性的新型电极材料,使ILs/石墨烯成
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离子液体(Ionic Liquids,ILs)作为一种新型绿色材料,已成为工业应用中新型溶剂、电解质的重要候选者。ILs作为新型溶剂的主要缺点是其粘度较高,将ILs和极性相近的乙醇混合可以显著降低粘度。ILs/乙醇混合物已在催化反应、有机合成等领域显示出不同于传统溶剂的优良特性。当ILs电解质应用于超级电容器时,石墨烯作为一种具有高比表面积、高电导率和优良化学特性的新型电极材料,使ILs/石墨烯成为一种有前景的电解质/电极组合。超级电容器的能量存储依赖于充电时发生的电荷分离,而电荷分离是由界面处阴阳离子分布不均匀造成的。所以超级电容器的性能与ILs/石墨烯界面的微观结构密切相关。本论文对纯1-烷基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐[Cnmim][BF4](n=2,4,6)和1-烷基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐[Cnmim][PF6](n=4,6)及其与乙醇的二元混合物以及五种ILs在石墨烯电极表面的微观结构进行分析,以探究阳离子烷基侧链长度以及阴离子尺寸对微观结构的影响。分子动力学(MD)模拟能够较为准确的描述ILs的微观结构,从而对其宏观性质进行预测。本文通过MD模拟方法对纯ILs、ILs/乙醇混合物和ILs/石墨烯界面的微观结构进行分析。在纯ILs中,径向分布函数(RDFs)表明较小尺寸的[BF4]-与阳离子之间的静电吸引强烈,更容易发生阳离子-阴离子之间的相互作用。通过泰森多面体(VP)对五种纯ILs中阴阳离子的自由空间进行分析,发现环氢原子与阴离子之间较强的氢键相互作用导致环氢原子周围的自由空间更小,阳离子甲基侧链的末端氢HM距离阴离子最远,拥有更多的游离空间。在五种ILs/乙醇混合物中,随着乙醇摩尔分数的增加,密度值均下降。RDFs表明,乙醇不会渗透到阳离子-阴离子之间,阳离子烷基侧链较长的[C6mim]+与乙醇的聚集程度更强。在与乙醇进行相互作用时,乙醇优先与阴离子进行相互作用,阴离子中,具有较小半径的[BF4]–更优先于[PF6]–与乙醇进行相互作用。通过泰森多面体对ILs/乙醇混合物中阴阳离子的自由空间进行了分析,发现更多的自由空间来源于烷基侧链较长的[C6mim]+与半径较大的[PF6]–。本文通过对石墨烯施加电荷的方法模拟充电电极,对ILs在未充电以及充电石墨烯电极界面的微观结构进行了分析。通过数密度分布发现在石墨烯界面处存在阳离子与阴离子的共吸附,且较长烷基侧链的阳离子与较大半径的[PF6]–在界面处数密度的峰值更低。随着电极带电量的增加,ILs的层状结构振荡的更为明显,且增大的相互吸引力导致正极(负极)处阴离子(阳离子)的堆积。但在同一电荷密度下,随着阴阳离子尺寸的增加,离子的分层减少。通过对阳离子烷基侧链末端氢的数密度分析发现,[C2mim]+阳离子的末端氢随负极带电量增加倾向于更靠近电极表面,而其它四种ILs的末端氢呈现相反的趋势,阳离子末端氢随负极带电量增加向远离石墨烯壁的方向延伸。通过扩散系数(D)的计算,发现受限于石墨烯内部的ILs扩散运动受到抑制,垂直于石墨烯方向的分量扩散运动最慢。ILs随着阳离子烷基侧链的增加以及阴离子尺寸的增大,扩散系数减小。
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