ترجمه ظرفیت دولایه الکتریکی الکترودهای گرافن الکترولیت تک ظرفیتی آبی

توضیحات

 عنوان فارسی: شبیه سازی دینامیکی مولکولی ظرفیت دولایه الکتریکی الکترودهای گرافن در الکترولیت های تک ظرفیتی آبی

عنوان انگلیسی مقاله ترجمه شده:

Molecular dynamics simulations of the electric double layer capacitance of graphene electrodes in mono-valent aqueous electrolytes

چکیده

خازن های دولایه الکتریکی (EDL) بر اساس مواد گرافنی ظهور یافته عملکردهایی با بهبود چندین برابر در مقایسه با مواد کربنی متخلخل رایج نشان داده اند، که منجر به پیشرفت غیر منتظره ای در ذخیره انرژی های قابل حمل و قابل تجدید شده اند. بر این اساس، علاقه بسیاری برای رسیدن به درکی جامع پایه ای اما مشکل روی ساختار دولایه سطح مشترک الکترود/الکترولیت ایجاد شده است. در این مقاله، شبیه سازی های دینامیک مولکولی جامعی را برای به دست آوردن تصویر جامع از چگونگی اثر نوع یون، مشخصات حلال و شرایط باردهی بر ساختار EDL در سطح الکترود گرافن و نقش آن ها در ظرفیت، انجام داده ایم. ما نشان داده ایم که الکترولیت های آبی تک ظرفیتی متقارن M⁺X^-­­ (M⁺=Na⁺, K⁺,Rb⁺, Cs⁺ و X^–=F^–, Cl^–, I^–) قطعا ساختارهای EDL متمایزی دارند. یون های بزرگتر مانند Rb⁺, Cs⁺,Cl^–, I^– متحمل آب گریزی جزیی شده و از طریق اولین لایه آب به سطح الکترود در حال شارژ نقوذ می کنند. همینطور، توزیع پتانسیل الکتریکی روی EDL به شدت به نوع یون وابسته است. به طور جالب توجهی، نشان دادیم که آب می تواند نقشی حیاتی در تعیین مقدار ظرفیت بازی کند. بار ثابت دی الکتریک آب در الکترولیت های مختلف به مقدار زیادی تغییرات در افت پتانسیل الکتریکی در طول EDL برای یون های مختلف را از بین می برد. شبیه سازی هایی ما موجب شناسایی این شد که چگونه فعل و انفعال بین مولکول های حلال و ساختار EDL به صورت مشترک بر ظرفیت تاثیر می گذارند، که نتایج آن با نتایج آزمایشگاهی ما نیز مطابقت دارد.

  مقدمه

خازن های الکتروشیمایی، که سوپرخازن های نیز نامیده می شوند، با تشکیل دولایه الکتریکی (EDL) از یون های الکترولیت روی الکترودهای متخلخل هادی، که معمولا از کربن متخلخل ساخته شده اند، انرژی را ذخیره می کند. پیشرفت های اخیر در ساخت مواد کربنی متخلخل بر پایه گرافن منجر به بهبود های بسیار بیشتری در عملکرد ظرفیت انرژی داشته است، که باعث توجه بسیاری از تحقیقات به بررسی مکانیزم اساسی بارگیری، تشکیل EDL در سطح مشترک الکترود/الکترولیت، جلب شده است. البته این مسئله هنگامی اهمیت یافت که شروع به درک بسیاری از پدیده های مشابه مربوط به تشکیل EDL به ویژه در حفرات کوچک با اندازه نانو کردیم، به عنوان مثال افزایش قابل توجه ظرفیت و اعوجاج یون پوشیده از حلال در حفرات زیر 2 نانومتر. اگرچه ساختار و خصوصیات EDL ها روی مواد و الکترود های بر پایه کربن به طور گسترده ای مورد توسط روش های عددی (مدل سازی پیوسته، دینامیک مولکولی کلاسیک، تئوری تابعی دانسیته کلاسیک) مطالعه شده است، سوالات بسیاری برای پاسخ دادن باقی مانده است مانند اثر اندازه یون، درجه هیدراسیون یون، ثابت دی الکتریک حلال، ساختار EDL وابسته به پتانسیل، و ظرفیت دیفرانسیلی “زنگوله ای” یا “U” شکل.درک جامعی از ساختار EDL و وابستگی آن به انواع یون ها و شرایط باردهی مختلف همچنان بدون پاسخ باقی مانده اند.

بر این اساس، در این کار، ساختار مولکولی EDL در سیستم های خازنی الکتروشیمایی بر پایه گرافن را از طریق شبیه ساز های MD مورد بررسی قرار داده ایم. به طور خاص، به دنبال اثر انواع یون های مختلف و قدرت باردهی میدان الکتریکی روی ساختار EDL هستیم. ترکیب شبیه سازی MD و کمک از چارچوب مدل گوی-چپمن-اشترن (GCS) منجر به درک جامعی از ساختار مولکولی EDL و تحلیل عمیق اثر آن روی ظرفیت خازن های الکتروشیمایی بر پایه گرافن شده است. نتایج ما نشان داد که نوع یون به طور قطع نقشی اساسی در تعیین توزیع غلظت یون در EDL دارد. مهم تر از آن، شبیه سازی ما به طور موفقیت آمیزی اثر خصوصیات دی الکتریک مولکول های آب روی ظرفیت قابل دسترس یک الکترولیت آبی مشخص را نشان داد.

2.روش کار

شکل 1 یک سیستم نوعی در شبیه سازی MD ما را نشان می دهد: صفحات گرافن (nm10*nm2/10) به صورت موازی با فاصله nm 5 از هم قرار گرفته اند. مستطیل خط چین سوپر سلول شبیه سازی با شرایط مرزی نوسانی اعمال شده در سه بعد را نشان می دهد. الکترولیت های تک ظرفیتی آبی M⁺X^-­­ (M⁺=Na⁺, K⁺,Rb⁺, Cs⁺ و X^–=F^–, Cl^–, I^–) برای پر کردن فاصله بین صفحات گرافن استفاده شدند. غلظت آن ها در mol/L 1 تنظیم شد.

با در نظر داشتن ظرفیت ذاتی گرافن ( F/cm 21) و پنجره پتانسیل الکتریکی برای الکترولیت های آبی (V 1)، پیش بینی می کنیم که حداکثر بار بر هر اتم کربن به مقدار e/C-atom 0685/0 باشد که معادل بار 270 الکترون در یک صفحه (3936 اتم کربن) در سیستم ما است (شکل 1). از این رو مقدار بار کل e 0، 60± یا 160± روی یک لایه گرافن القا شد (متناظر با e/C-atom 0، 015/0± یا 041/0±) تا اثر شرایط بارگذاری مختلف ساختار EDL و مقادیر ظرفیت حاصل بررسی شود. بارهای تزریق شده به طور همگن در هر اتم کربن در طول لایه گرافن توزیع شد. اخیر برخی روش های شبیه سازی MD برای اعمال پتانسیل الکتریکی ثابت روی الکترود ها توسعه داده شده اند، که در تطابق بیشتری با شرایط آزمایشگاهی الکتروشیمیایی می باشد. با این حال، آن ها نیازهای محاسباتی در مقایسه با روش بار سطحی ثابت رایج می باشند. بعلاوه، مطالعات اخیر تفاوت قابل اغماضی از شبیه سازی ساختار EDL بین روش های مختلف، مخصوصا در پتانسیل الکتریکی پایین (V 2>) نشان داده است. در نتیجه، در این مطالعه، روش بار سطحی ثابت رایج را استفاده کرده ایم. مولکول های آب بر این اساس در سوپر سلول پر شده تا فشاری نزدیک به 1 بار در K 300 ایجاد کنند. تعداد یون های الکترولیت با دو شرط تعیین شده اند: غلظت و خنثی بودن کل سیستم. جدول 1 تعداد مولکول های آب و یون ها را در سیستم شبیه سازی MD ما خلاصه وار نشان می دهد.

توجه:

• برای دانلود فایل word کامل ترجمه از گزینه افزودن به سبد خرید بالا استفاده فرمایید.
• لینک دانلود فایل بلافاصله پس از خرید بصورت اتوماتیک برای شما ایمیل می گردد.