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在电极表面从电解质中吸附离子是一个普遍存在的过程,可用于现有和新兴的电化学能源技术,中国机械网,okmao.com
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在电极表面从电解质中吸附离子是一个普遍存在的过程,可用于现有和新兴的电化学能源技术
2021年08月10日    阅读量:1957    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

在电极表面从电解质中吸附离子是一个普遍存在的过程,可用于现有和新兴的电化学能源技术。但是当这些离子穿透非常小的空间时会发生什么?为了解决这个问题,北卡罗来纳州立大学的研究人员重新检查了“经典”材料水钠锰矿的行为。


Birnessite 是氧化锰的水合层状形式,可以在许多循环中快速储存和释放电解质中的各种正离子中国机械网okmao.com。这使其有望用于高功率电化学储能,或新兴的电化学技术,如海水淡化和从水中回收稀有元素。更重要的是,它是一种材料丰富、易于制造且无毒的材料。


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水钠锰矿吸收和释放阳离子的机制被描述为法拉第(涉及电荷转移)和非法拉第(仅涉及静电离子吸附)。


为了解决这一争论,研究人员同时使用了实验和计算方法。


“在储能社区,我们通常认为电荷存储是法拉第或非法拉第,”该工作论文的第一作者、北卡罗来纳州立大学的博士后研究员谢尔比博伊德说。“在平面界面上,法拉第是指离子特定吸附到电极上并具有相应的电荷转移,如氧化还原反应。非法拉第是指没有电荷转移的纯静电吸附。人们在很大程度上将这些电荷存储机制描述为是相互排斥的。但我们在水钠锰矿中发现的是,纳米限制的层间结构水减轻了插层阳离子和水钠锰矿之间的相互作用。这导致了平面界面上两种极端吸附的中间行为。”


研究人员还能够从实验和理论上证明,水钠锰矿层之间的水可以有效地充当缓冲剂,使电容行为成为可能,而不会导致水钠锰矿的显着结构变化。


最终,研究人员表示,这些发现突出了这项工作的两个未来方向,这两个方向对于更广泛的电化学领域都有希望。


“电化学领域正在复兴,”该论文的通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程助理教授 Veronica Augustyn 说。“将实验结果与电化学界面的原子级建模联系起来的能力使我们能够比以往更深入地探索并提出以下问题:溶剂扮演什么角色?在限制条件下发生反应时可能会发生什么?通过了解电容水钠锰矿等材料的机制,我们为理解更复杂的电化学反应奠定了基础。”


论文“层间限制和水合作用对水钠锰矿中电容电荷存储的影响”即将发表于Nature Materials。该论文由 Saeed Saeed 博士合着。北卡罗来纳州的学生;宾夕法尼亚州立大学的 Karthik Ganeshan 和 Adri CT van Duin;橡树岭国家实验室的 Wan-Yu Tsai 和 Nina Balke;以及加州大学河滨分校的 Tao Wu 和 De-en Jiang。Balke 将于 2021 年 8 月加入北卡罗来纳州立大学,担任材料科学与工程副教授。


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