【摘 要】
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作为一种新型电极材料,MXenes在超级电容器中表现出优异的性能。与此同时,具有更宽电化学窗口的离子液体电解质有望大幅增加超级电容器的容量。MXenes与离子液体组合有望构建具有高能量密度和高功率密度的储能器件和设备。研究表明,MXenes电极的表面终端以及离子液体电解质的官能团都对超级电容器的性能都有较大的影响。然而,在分子水平上的机理解释和研究仍然缺乏,这为新型电容器的开发设计提出挑战。本论文
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作为一种新型电极材料,MXenes在超级电容器中表现出优异的性能。与此同时,具有更宽电化学窗口的离子液体电解质有望大幅增加超级电容器的容量。MXenes与离子液体组合有望构建具有高能量密度和高功率密度的储能器件和设备。研究表明,MXenes电极的表面终端以及离子液体电解质的官能团都对超级电容器的性能都有较大的影响。然而,在分子水平上的机理解释和研究仍然缺乏,这为新型电容器的开发设计提出挑战。本论文通过分子动力学模拟来系统研究了MXene/离子液体固液界面结构以及表面结构对能量储存机制的影响规律,得到以下结论:（1）两种离子液体[EMIM][NTf2]和[HEMIm][NTf2]分别与Ti3C2O2电极构成超级电容器,模拟发现阳离子都平行于电极表面,在施加4 V的电势差后,羟基化的阳离子和电极终端间形成了氢键,导致大部分离子依旧平行在表面,而没有羟基化的阳离子大部分垂直于电极。这使得羟基化的离子液体展现出较低的电容。两种离子液体在达到充电平衡后,电荷密度相似,但羟基化后离子液体的充电速率明显加快。（2）两种离子液体[EMIM][NTf2]和[HEMIm][NTf2]分别与Ti3C2（OH）2电极组成的超级电容器,观察发现在不同电压下大部分阳离子都垂直于电极表面。并且由于羟基化的阳离子与电极终端间始终都有氢键相互作用,电极表面的离子数一直高于没有羟基化的阳离子。Ti3C2（OH）2表面的双电层结构使得电极有较高的微分电容。本工作为MXene电极终端和离子液体电解质官能团对界面结构和双电层形成的影响提供了明确的机制证据,这将有助于设计高效的储能器件。
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