基于氧化石墨烯(GO)和离子液体(ILs)之间界面的超级电容器是一种有吸引力且潜在安全的储能解决方案，因为与许多传统电解质相比，氧化石墨烯电解质的挥发性低，而且使用GO作为电极的成本效益高。分子动力学(MD)模拟可以为这些电解质-电极界面的原子尺度结构提供关键的见解。然而，之前的GO – IL界面模拟研究通常将GO建模为理想化的单层完整石墨烯，其羟基和环氧基分布接近均匀。这些模型忽略了已知的氧化石墨烯结构复杂性，如涡轮层层堆积、侧层间隙和孔隙的存在、非均匀氧基分布以及导致粗糙度的拓扑缺陷。本文报道了典型IL电解质乙基甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺[EMIM][TFSI]与三种结构复杂的多层氧化石墨烯堆叠界面的MD模拟:一种具有异质氧分布和缺陷，一种是氧含量低的“老化”变体，以及一种具有均匀氧分布，表面平坦且无缺陷的传统模型。探讨了水的存在对界面结构的影响。结果表明，在总平均表面氧含量相似的情况下，与均匀氧分布的光滑氧化石墨烯表面相比，非均质氧分布和亚纳米级表面粗糙度不会显著改变界面处的IL结构。然而，少量水的存在大大增加了界面和散装液体中的离子迁移率，并被发现增强了氧化石墨烯薄片横向边缘的离子迁移率。这些发现有助于理解如何设计基于GO-IL的储能材料。
图1. 三个氧化石墨烯堆的快照，其中原子由球体表示，并按元素着色:碳，灰色;氧气,红色;氢是白色的。为清楚起见，没有显示IL原子。
图2. (a,b)阳离子EMIM分子和阴离子TFSI分子的分子结构。(c)新鲜GO – IL界面(干)，其中EMIM原子为绿色，TFSI原子为紫色，GO原子元素颜色为碳灰色，氧红色，氢白色。
图3. 比较经过粗糙度校正的EMIM、TFSI和总IL垂直密度分布在新鲜(蓝线)、老化(橙线)和LK(绿线)GO – IL接口之间，注意GO堆叠的起始点被设置为零，并由垂直黑线表示。
图4. (a)氧化石墨烯界面上第一IL层的EMIM环角与z-cell尺寸的概率分布。(b)第一IL层远端CF3组间TFSI二面角的概率分布。
图5. 上氧化石墨烯界面第一IL层离子迁移率的比较。上氧化石墨烯表面的图像显示在顶部一行，而底部一行的颜色图表示在30 ns的过程中任何点被阳离子(蓝色)和阴离子(红色)占据的空间区域。对于新鲜氧化石墨烯，缺乏氧含量的表面的石墨畴在底部的颜色图上用绿色轮廓表示。
图6.对于上(上行)和下(下行)氧化石墨烯表面，经过粗糙度校正的EMIM(绿线)、TFSI(紫线)和总IL(橙线)之间的垂直质量密度分布，干的GO – IL界面以深色线表示，湿的GO – IL界面以浅色线表示。氧化石墨烯表面的起始点由垂直的黑线表示。
图7.上下GO-IL界面的水质量密度分布(粗糙度校正)。
图8.氧化石墨烯界面上初级层中IL的取向分布。(a)干界面(黑线)和湿界面(亮线)的EMIM环法线与z单元胞向量的概率分布。黑色虚线表示均匀角度样本的函数形式。(b)干(黑线)和湿(亮线)界面的远端CF3位点间TFSI二面角分布。
图9.较低氧化石墨烯界面上第一IL层离子迁移率的比较。较低氧化石墨烯表面的图像显示在最上面一行(为了清晰起见，除氧化石墨烯外的所有原子都被去除)。下一行的颜色图表示在30 ns的过程中，任何点上阳离子(蓝色)和阴离子(红色)所占据的空间区域。
图10.比较干(深色)和湿(浅色)界面之间每个氧化石墨烯堆叠中按氧计数归一化的平均氢键数。不确定度条表示离平均值一个标准差。
相关研究成果由迪肯大学Filip Vuković和Tiffany R. Walsh课题组2024年发表在The Journal of Physical Chemistry C (链接：https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c04166)上。
原文：Effects of Surface Complexity and Moisture on Graphene Oxide–Ionic Liquid Interfaces
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