研究背景
随着全球能源需求的日益增长和环境问题的日益严峻，开发新型高效能源存储设备变得尤为重要。超级电容器作为一种新型绿色能源存储设备，因其快速充放电、高循环寿命和高功率密度等优势而备受关注。然而，超级电容器面临的主要挑战之一是其较低的能量密度。为了提高能量密度，研究者们致力于优化电极材料以增加其活性吸附位点，同时寻找具有宽电化学窗口的电解质。离子液体（ILs）因其超过3.5V的宽电化学窗口、接近零的蒸气压、出色的热稳定性和非易燃性等特性，被认为是一种具有潜力的新型电解质。然而，纯离子液体的高粘度会阻碍其在电极表面的润湿性，影响功率密度和充放电速度。此外，离子液体的亲水性质导致其容易吸收环境中的水分，影响能量存储性能。因此，减少电极对水分子的吸附对于提高水性离子液体的电压窗口至关重要。在这项工作中，研究人员探索了在离子液体中添加乙腈（ACN）以改善上述问题，并从微观角度研究了水性ACN-ILs在充电石墨烯表面的界面特性。
成果简介
在这项研究中，研究人员通过分子动力学模拟和实验方法，系统研究了水性乙腈-离子液体（ACN-ILs）在石墨烯表面的界面特性，并探讨了ACN含量和表面电荷密度的影响。研究发现，ACN的加入不仅增强了离子液体在石墨烯表面的润湿性，还显著抑制了水分子在正电极表面的聚集，尤其是在亲水性离子液体系统中。此外，循环伏安实验证实了添加ACN后水性ILs的电化学窗口得到改善。这项研究为进一步推动离子液体作为超级电容器电解质的应用提供了重要的基础。
图文导读
图1：分子动力学模型和不同比例的H2O和ACN添加的润湿实验分析。
图2：在z轴方向上ACN分子的数密度分布。
图3：在正电极表面附近沿z轴的H2O分子数密度分布。
图4：在H2O与ACN比例为1:8且表面电荷密度分别为0.10、0.20和0.30 C/m²时，所有粒子的数密度分布。
图5：在两种ILs系统中，不同ACN含量下粒子的径向分布函数g(r)及相应的配位数。
小结
研究人员通过分子动力学模拟和电化学实验相结合的方法，深入探究了水性ACN-ILs在石墨烯表面的界面行为。研究结果表明，ACN的加入显著提高了ILs在石墨烯表面的润湿性，并减少了水分子在正电极表面的聚集，这对于提高水性ILs的电化学稳定性具有重要意义。此外，ACN的加入还降低了ILs中阴阳离子的聚集程度，改善了电解质的电化学窗口。这些发现为优化ILs在电化学能量存储领域的应用提供了新的思路，展示了ACN作为共溶剂的潜力。
文献：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.161986
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