离子液体工业应用的分子动力学模拟

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在现今世界能源结构中,化石燃料仍是许多发展中国家能源结构中的主要部分。众多周知,化石燃料中碳和含硫含氮杂质,在燃烧后会产生CO2、SO2和NOX等污染物。其中CO2是导致温室效应的主要气体来源。近年来,离子液体因其众多出色的性质成为CO2吸附剂的热门材料。已有研究工作指出,相对于单阳离子型离子液体(Monocationic Ionic Liquids,MILs),阳离子具有两个单位正电荷的双阳离子型离子液体(Dicationic Ionic Liquids,DILs)具有更高的CO2吸附量。但对于DILs/CO2体系的界面现象还鲜有研究。因此本文通过分子动力学模拟对1-alkyl-3-dimethylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide,[Cn(mim)2](Tf2N)2(n=3,6,12)双阳离子型离子液体界面上CO2的吸附性质进行了分析。结果表明由于DILs相对于MILs具有更多的结合位点,使DILs界面上具有更高的CO2吸附量,且随着阳离子内烷烃链长度的增长,界面上氟原子的含量降低,导致界面上CO2的吸附量有所减小。通过模拟离子液体/烟气体系,分析得到相对于MILs,DILs具有更小的H2O和N2吸附量,即更高的CO2/H2O,CO2/N2选择吸附性。对CO2进行捕捉虽会减弱温室效应,但只有利用新能源替代传统化石燃料才能从源头遏制污染物的产生。研究表明,以离子液体作为电解质的超级电容器具有很好的工作性能,可作为新能源储能装置,使新能源能真正应用于生产生活。超级电容器利用界面双电层储能,因此界面上离子液体的微观结构对超级电容器的性能有很大的影响。在之前关于双电层的理论研究中,电极材料多为理想平面电极,未考虑表面缺陷对双电层结构的影响。因此,本文利用分子动力学模拟对阶梯状电极表面离子液体的微观结构进行了表征。结果表明,阶梯状电极的高度与离子尺寸间不同的对应关系,会使界面上离子分层结构得到相应的加强或减弱,且电极表面带电与否亦会导致界面上离子分层结构的不同。这些微观结构上的变化对超级电容器平衡态及动态性能的微观机理解释有着重要的意义。
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