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能源学院冯光团队离子液体固液界面研究获新进

- 编辑:金沙官网 -

能源学院冯光团队离子液体固液界面研究获新进

  12月4日,《自然•通讯》在线刊发了能源学院煤燃烧国家重点实验室冯光教授团队关于含水离子液体固液界面的最新研究成果。论文题为《最小化受潮离子液体中的水在电极表面的吸附》,我校为第一单位。

10月29日,《ACS纳米》发表了能源学院青年教师冯光博士的研究成果,论文题目为“带电界面上离子液体中水的电吸附机理剖析”。

报告人: 冯光教授 华中科技大学

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太阳能、风能等新能源因其固有的不连续性,需要高效的储能设备将其产生的电能储存起来以备使用。作为近年来发展起来的一种先进的绿色环保储能装置,超级电容器在能源储能领域中占有越来越重要的地位。为解决目前超级电容器研究领域内的关键问题,因能承受较高的工作电压,离子液体作为超级电容器的电解质正受到越来越多相关研究者的关注和重视。然而,因其吸水性,离子液体中的水总是难以被彻底除去。尽管国内外研究者已开展了有关离子液体超级电容器的广泛研究,迄今,人们对充电过程中、离子液体含有的杂质水的分布及其对超级电容器的影响还知之甚少。针对这一问题,冯光博士在《ACS Nano》的最新研究成果,首次揭示了带电界面上离子液体中极少量的水的微观分布及其随电极表面上施加电压的变化规律,并阐述了该规律的形成和作用机理。该结果不但有助于人们进一步认知离子液体超级电容器的储能机制,给超级电容器的开发与设计提供新思路、新方案,而且给干燥离子液体提供了一个新方向——通过电吸附电解来除去杂质水。

报告题目: Solid-liquid Interfaces at Nanoscale: Molecular Study of Ionic-Liquid-Based Supercapacitors

  离子液体仅由阴阳离子组成,在室温下呈液态。除了热稳定性好、挥发性低、不可燃不爆炸等优点,相比常用的水或有机溶液电解质,离子液体还具有更高的工作电压。近些年来,用作储能装置、电润湿技术、场效应晶体管、电化学传感器等所需的电解质,离子液体正受到越来越多研究者的关注和重视。然而,因其固有的吸水性,离子液体中的水总是难以被彻底除去。针对离子液体含水的影响,冯光教授的前期工作通过纳米尺度模拟计算预测出,在形成电极-离子液体双电层固液界面的过程中,离子液体中的水将会富集在电极表面上,而使器件/设备的工作电压变小,最终导致其工作性能降低——随后,该理论预测得到了许多实验与模拟工作的证实。因此,如何减小受潮离子液体中水的负面影响,成为了离子液体电解质应用领域内亟需解决的核心问题之一。

冯光博士是湖北省第三批海外引进高层次人才“百人计划”入选者,自2013年12月入职能源学院教授岗位以来,积极开展科研和教学工作。其研究主要集中于研究与新能源中电能储存技术以及纳米材料和离子液体应用等相关的基础课题。尤其是利用分子动力学模拟技术,通过分析与之密切相关的微/纳米尺度下的界面现象,探究新型储能装置超级电容器的工作机理及其优化设计。

时间:2019年6月6日上午10:00

  冯光教授团队利用分子动力学模拟计算为研究手段,以离子液体的亲/疏水性为突破口,发现采用亲水性离子液体可以有效避免受潮离子液体中的水吸附在负电极表面上,从而可以避免工作电压的降低;这一方案适用于具有不同材质的电极。根据模拟结果分析,进一步阐述了相应的微观作用机制和实现原理:来自于电极和离子液体的范德华和静电作用——决定了水的赋存状态,使得亲水性离子液体中的水远离了电极表面。模拟预测的结果被团队的厦门大学合作者给予了实验证实。

地点:化中201

  该工作从微观界面与能质传递角度出发,以储能器件中的电极-电解质固液界面为研究对象,探究了不同离子液体对电极表面上吸附水的影响规律及其作用机理,并给出了解决方案和实现原理。这一研究结果不但有助于人们进一步认知离子液体超级电容器的储能机制,给超级电容器的开发与设计提供新思路、新方案,而且有利于离子液体在其他以电极-电解质固液界面为关键点的领域内的应用,同时有助于研究者利用模拟计算手段去探究微纳尺度界面与能质传递现象。

报告摘要:

  论文的第一、二作者为能源学院的博士生毕晟、王润曦,通讯作者为冯光教授、厦门大学颜佳伟教授和英国帝国理工学院Kornyshev教授。该工作得到了国家自然科学基金项目和深圳市科技计划基础研究项目的资助。

超级电容器通过离子电吸附在电解电极界面直接储存电能,说明液固界面在储能机理和器件性能中起主导作用。在超级电容器用电解质中,室温离子液体因其具有极宽的电化学窗口、优异的热稳定性、不挥发性和相对惰性的特性而成为极具发展前景的电解质。尽管在基于RTILs的超级电容器上做了大量的工作,但RTILs电极界面的细节仍然需要深入研究。报告人将结合过去十年课题组的研究工作,讨论以下内容:

  论文链接:

1)从原子水平了解体RTILs的结构和动力学性质,揭示纳米团聚体、动力学和离子迁移率,以及离子大小和温度的影响。

2)结合分子建模和纳米/微尺度实验技术,研究开放表面(如平面、圆柱、球面、有缺陷等)基于RTILs的双电层,重点研究双电层结构和电容,以及离子尺寸、离子类型、外加电位、电极曲率等因素的影响。

3)研究由RTILs和纳米孔电极组成的超级电容器,并与小角度X射线散射和中子自旋回波进行比较。

个人简介:

冯光,华中科技大学教授、博士生导师。2010年克莱姆森大学机械工程学院杰出博士生,2013年湖北省第三批“百人计划”入选者。近些年来,一直从事与微纳尺度界面和输运相关的基础问题研究,在有关新能源的新型储能装置和纳米材料等应用领域取得了一些创新性成果。已发SCI期刊论文60多篇(其中第一/通讯作者42篇,如Physical Review X、Nature Communications、Advanced Energy Materials、ACS Nano、Nano Energy、Nano Letters等),被Nature Materials等70多种SCI期刊引用过1800次;H因子25;受邀在国际大会上作报告12次、担任分会主席4次。2014年被提名成为美国科学研究学会Sigma Xi会员,2015年获华中科技大学“学术新人奖”和“华中学者”,2016年获华中科技大学“十佳青年教工”;2018年起,任《ChemElectroChem》(影响因子:4.446)编委会委员和《Green Energy & Environment》青年编委。

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