《自然-通訊》刊發華中科技大學馮光團隊離子液體超級電容器研究...

2020-12-23 中國教育在線

　　11月16日，《自然•通訊》（Nature Communications）以研究長文形式刊發了華中科技大學能源學院馮光教授團隊關於離子液體超級電容器的最新研究成果。論文題目為「加鹽提高含水離子液體電化學窗口」（Adding salt to expand voltage window of humid ionic liquids）。華中科技大學為第一單位，該論文的共同第一作者分別為能源學院博士後陳明和廈門大學博士生吳傑督，通訊作者為馮光。

　　離子液體僅由陰陽離子組成，在室溫下呈液態。除了揮發性低、熱穩定性好、不可燃等優點，相比常用的水或有機溶液電解質，離子液體具有更高的電化學窗口（4~6 V）。近些年來，用作儲能裝置（如超級電容器和電池）、電潤溼技術等所需的電解質，離子液體正受到越來越多研究者的關注和重視。因其固有的吸水性，離子液體中的水總是難以被徹底除去。針對離子液體含水的影響，馮光團隊的前期工作（Nature Communications, 2018, 9, 5222）表明，在形成電極-離子液固液界面的過程中，離子液體的親疏水性決定了水的吸附行為：親水性離子液體可以有效避免離子液體中的水吸附在負電極表面上，從而避免工作電壓的降低；而疏水離子液體中的水將會富集在電極表面上，而減小其工作電壓與性能。因此，如何減小含水的疏水離子液體中水的負面影響，成為了離子液體電解質領域內亟需解決的關鍵問題之一。

　　馮光團隊利用分子動力學模擬和第一性原理計算為主要研究手段，發現向含水的疏水離子液體電解質中添加少量的鋰鹽，既可以有效避免含水離子液體中的水吸附在電極表面上，又可以降低電極吸附水的反應活性，從而增大了含水離子液體電解質的電壓窗口。這一方案適用於不同種類的疏水離子液體。模擬預測結果得到了合作者廈門大學毛秉偉和顏佳偉教授團隊的實驗證實。團隊進一步闡釋了加鹽的微觀作用機制和實現原理：由於鋰離子的強水化作用，水被拽離了電極壁面；鋰離子與仍吸附在電極上的水相結合，降低了水的反應活性；鋰離子改變了吸附水的方位分布，抑制了水的分解；與鋰離子結合，降低了水的HOMO能級，從而提高了其氧化穩定性。

　　該工作基於納米尺度界面與能質傳遞的基礎研究，以儲能器件中的電極-電解質固液界面為研究對象，探究了添加鋰鹽對疏水離子液體在電極表面上吸附水的影響規律及其作用機理。這一研究結果，以及前期有關親水離子液體的工作，解決了離子液體因吸水而降低電壓的難題，不但給離子液體超級電容器儲能技術的研究與開發提供了新思路、新方案，而且還有利於含水離子液體在其他領域內的應用（如具有高濃度鹽溶液的電池）。同時，利用類似策略「開發恆電勢分子模擬技術」研究納米尺度界面與能質傳遞現象，通過跨尺度理論和方法並結合實驗驗證，馮光團隊還開展了基於導電MOFs和離子液體的新型超級電容器的研究工作，成果已於數月前刊發在了《自然•材料》上，華中科技大學為第一單位。

　　這些工作都得到了國家自然科學基金委的資助。

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