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 В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Сверхпроводимость очень чувствительна к внутренней организации материала, в котором проявляется. Чтобы уговорить эту «птицу счастья» стабильно работать, физики тщательно следят практически за каждым атомом в сверхпроводниках и всеми воздействиями электромагнитных полей. Ученые могут контролировать хаотичные процессы в материалах, но могут их и использовать.
Больше половины студентов регулярно читают учебные тексты под музыку, хотя многие научные работы утверждают, что это вредит пониманию текста. Исследователи из Университета Эдит Коуэн выяснили, что эта привычка определяется не когнитивными способностями вроде силы внимания, а тем, насколько важную роль музыка играет в жизни конкретного человека.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Последние несколько лет по всему миру выходит множество работ о том, что микрочастицы искусственных полимеров накапливаются в тканях человека и могут быть небезопасны. Мы решили обратиться к академику Алексею Хохлову, чтобы дать трибуну противоположной точке зрения. Выбор между ними предлагаем сделать читателю.
Астрофизики Южного федерального университета предложили объяснение одной из самых интригующих загадок современной физики — годичных колебаний сигнала в детекторе DAMA/LIBRA, который вот уже почти тридцать лет регистрирует странные сигналы в подземной лаборатории Гран-Сассо в Италии, интерпретируемые как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом.
В высокогорных районах Гималаев появился новый хищник. Он не боится людей, возглавляет стаи собак и все чаще заходит в деревни. Местные жители называют его «кхипшанг». Речь идет о гибриде гималайского волка и бродячей собаки. Ученые опасаются, что этот зверь изменит хрупкий баланс местной дикой природы и в скором времени станет весьма опасным для человека.
Релиз довольно неожиданно перенес время образования протонов и нейтронов в более раннее прошлое Вселенной. К сожалению, из его текста осталось неясным научное обоснование таких фундаментальных изменений в космологии. Также он резко передвинул в прошлое и момент возникновения реликтового излучения.
При совпадении нескольких условий наши глаза способны улавливать излучение в ближнем инфракрасном спектре. Тогда сетчатка начинает работать как нелинейный фотодетектор.
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