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编译服务: 纳米科技领域信息门户服务 编译者: 郭文姣 编译时间: 2018-5-14 点击量: 2180

蓝色的能量,是咸水和不含盐的河水相遇并混合在河口的自由能量,未来可能成为全球电力的重要来源。电容式混合,一种利用电容的充放电循环的有前途的技术,可以用来收获这种能量,但是优化这里的设备并不是一件容易的事情。法国的研究人员已经证明,分子模拟可以真实地预测包含纳米孔碳材料的器件的电容,如电极和盐水作为电解液。当逆向运行时,这种技术也是一种有效的脱盐过程,称为电容去离子化。

在电容式混合(CapMix)和电容式消电离(CDI)中,由纳米孔碳制成的电极与电解液的接触面面积更大,从而提高了器件的特定电容。研究人员之前发现,当这些储能装置中使用的碳源碳(CDC)电极的孔径减小到电解质离子的大小时,超级电容器(也称为电双层电容器)的电容会突然增加。问题是,这些设备不像模型显示的那样,当材料的孔隙大小达到这个尺寸时。

分子尺度的描述

“我们的出发点是对水分子、离子和纳米孔碳电极的分子尺度描述,并简化了它们之间的相互作用,”法国国家科学研究中心(CNRS)和巴黎索邦大学(Sorbonne Universite)的团队负责人本杰明·罗滕伯格解释道。“我们考虑了两个重要的特性:电极材料的复杂结构,以及电极之间施加电压时电解液极化的方式。

然后我们进行“数值实验”,并观察系统中每个原子/分子的轨迹。从获得的数据中,我们计算出可以直接与实验结果相比较的属性,例如,设备的电容。双方的良好协议支持了我们的模式。

在蓝色能量的背景下,研究人员依靠两种电极和电解质之间的接口理论:Debye-Huckel和Poisson-Boltzmann理论。这些在许多情况下非常有用——例如,对于具有非常大孔隙的平面或多孔电极。“然而,他们在目前的极端限制条件下确实失败了,在这种情况下,分子效应起着重要作用,”罗滕伯格说。

简单的描述

对于另一种模型CDI,经常使用修改后的Donnan模型。“这更简单的描述了纳米孔和大量电解质之间的平衡,”罗滕伯格解释说。它引入了有效的参数,这些参数通常根据实验数据进行调整。

“虽然使用文献中类似材料的参数不允许我们在所有条件下重现实验结果,但我们可以通过拟合改进的Donnan模型的参数来获得良好的预测,以重现高电解质盐浓度的模拟。通过这种方法,我们可以推断出在不做任何实际实验的情况下降低盐浓度的预测。

尽管不理想,研究人员说这种方法使他们能够很好地预测低盐浓度下的实验电容。

可靠地预测电容

“我们的研究证实,纳米孔碳电极已经在超级电容器中用于储存能量,它对CapMix和CDI都有保证,”Rotenberg告诉nanotechweb.org。这也证明了真实的分子动力学模拟对研究这些材料的基本机制是有好处的。这些模拟可以用来可靠地预测电容——特别是在高盐浓度下。

该研究小组的成员包括法国图卢兹大学的科学家,他们在法国电化学能量储存研究网络的框架内,表示现在正忙于模拟其他的盐类来处理离子的具体影响。

“我们也在研究不同的碳结构和改进的简单描述,这将使我们能够克服我们分子模拟的缺点。”不幸的是,他们的计算成本还不能让我们模拟出具有与河水相媲美的盐度的电解质的行为。

——文章发布于2018年5月11日

 

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