Российские исследователи «заглянули внутрь» нанопоры суперконденсатора
Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ совместно с учеными ИХР РАН смоделировали поведение ионных жидкостей в заряженных углеродных порах размером 1–15 нанометров и оценили подвижность их катионов и анионов. Выяснилось, что с увеличением размера аниона его подвижность растет, а у катиона, наоборот, с увеличением размера подвижность снижается. Данные об ионных жидкостях помогут эффективнее разрабатывать суперконденсаторы на их основе.
Исследование опубликовано в журнале Journal of Molecular Liquids. Работа выполнена в рамках гранта РНФ. Соль в твердом состоянии имеет структуру, при которой ее заряженные частицы (ионы) упорядочены в кристаллической решетке. Но если нагреть, например, поваренную соль до температуры около 800 градусов, то кристаллическая решетка разрушится, ионы начнут свободно двигаться, и твердые кристаллы преобразуются в жидкость. Такие соли называют ионными жидкостями. Исследователи считают, что ионные жидкости перспективно использовать как альтернативу растворам электролитов в суперконденсаторах — электрохимических устройств для хранения энергии.
Плюс использования ионных жидкостей в том, что их ионы подвижнее, чем в твердых электролитах с кристаллической решеткой, а концентрация ионов выше, чем в растворах, благодаря тому, что ионы не отделены друг от друга молекулами растворителя. Также из-за особенностей структуры они остаются жидкими при низких температурах, что важно при производстве суперконденсаторов для устройств цифровой связи, бытовой электроники, гибридных электромобилей и так далее.
Ионные жидкости как электролит применяют совместно с пористыми электродами. И чтобы использовать их эффективно, нужно понимать и учитывать их структурные и электрические свойства внутри маленьких пор электрода. Российские ученые смоделировали поведение четырех ионных жидкостей и выяснили, как влияет на их свойства замена ионов. Моделирование проводилось в наноразмерных порах с заряженными углеродными стенками шириной от 1 до 15 нм с использованием катионов [EMIM]+ и [OMIM]+ ( 1-этил-3-метилимидазолий и 1-октил-3-метилимидазолий), а также анионов [BF4]- и [NTf2]- (тетрафторборат и бис(трифторметилсульфонил)имид).
Исследователи изучили, как влияет замена иона на коэффициент диффузии — показатель, который определяет подвижность ионов. Чем выше коэффициент диффузии, тем больше подвижность. А если подвижность большая, то ионную жидкость можно использовать как среду для эффективного переноса заряда.
«Экспериментально нет возможности измерить коэффициент диффузии ионной жидкости в нанопоре. Но с помощью моделирования динамики молекул и даже атомов, взаимодействующих друг с другом, мы можем “подглядеть”, что происходит внутри вещества, — поясняет профессор МИЭМ НИУ ВШЭ Юрий Будков. — Мы “ставим компьютерный эксперимент”, решая уравнения Ньютона для каждого атома и молекулы. А затем с помощью методов статистической физики рассчитываем характеристики, которые нам интересны: коэффициенты диффузии и электропроводности, парные корреляционные функции, угловые распределения и так далее».
Как и ожидали ученые, коэффициент диффузии у катиона [EMIM]+ (положительно заряженного иона) оказался выше, чем у катиона [OMIM]+ с длинной алкильной цепью, которая и ограничивает его подвижность. При этом противоположный результат получился при моделировании аниона (отрицательно заряженного иона). Выяснилось, что с увеличением размера аниона подвижность, наоборот, растет. Ученые предполагают, что для малых анионов происходит более сильное связывание с катионом, из-за чего их подвижность снижается.
«Можно представить это на модели двух заряженных шариков — большого и малого размеров. Если взять одинаковое количество заряда и распределить его по поверхности, то на шаре меньшего размера плотность заряда получится больше, — поясняет Юрий Будков. — Поэтому анион меньшего размера сможет сильнее связываться с заряженными стенками поры и катионами. И получается, что уменьшение размера приводит к уменьшению подвижности».
В целом у катионов коэффициенты диффузии оказались выше, чем у анионов, даже если радиус и молярная масса были больше. Как следствие, катионы лучше переносят заряд по сравнению с анионами, несмотря на их размер. Жидкость [EMIM][NTf2], ионы которой имеют более высокие коэффициенты диффузии, обладала наибольшей электропроводностью. В то же время, несмотря на более низкие коэффициенты диффузии ионов, [EMIM][BF4] по сравнению с [OMIM][NTf2] обладала более высокой электропроводностью. Ученые считают, что это связано с высокой концентрацией носителей заряда.
«Полученные данные интересны для электрохимических приложений, которые используют при разработке суперконденсаторов. Сейчас мы изучили основные особенности влияния химической структуры катиона и природы аниона на транспортные свойства ионных жидкостей в условиях ограниченной геометрии. В будущем мы планируем также рассмотреть новые ионные жидкости с примесями различных растворителей и дополнительно вычислить не изученный в этом исследовании параметр вязкости», — поясняет один из авторов статьи, научный сотрудник МИЭМ НИУ ВШЭ Дарья Гурина.
Telegram 
Дзен 
VK Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
Мы много знаем о том, как цивилизации до нас строили дома и дороги, но с объектами материальной культуры дела обстоят сложнее. Ремесленные техники часто хранились в строгом секрете и могли быть случайно утрачены при неудачном стечении обстоятельств. Так случилось с ювелирной техникой цзинь чжэ сы.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Ученые Южного федерального университета исследовали новую светочувствительную молекулу и обнаружили, что она ведет себя совсем не так, как ожидалось. Благодаря необычным свойствам она может стать основой для создания умных материалов, сенсоров и лекарств, которые будут активироваться светом именно там, где нужно, например, для борьбы с опасными бактериями.
Анализ более 150 тысяч древних звезд Млечного Пути показал, что возраст космоса, судя по всему, близок к 13,8 миллиарда лет. Авторы нового исследования заключили, что сценарии, в которых Вселенную приходится делать заметно «моложе» ради решения хаббловского кризиса, плохо согласуются с наблюдениями. Это важно, поскольку возраст старейших светил — один из немногих независимых способов проверить космологические модели не по данным ранней Вселенной, а по объектам нашей собственной Галактики.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно