碱金属阳离子在外加电位下影响单分散铜氮掺杂碳材料催化二氧化碳电还原的机理研究

单分散铜氮掺杂碳材料是一类很有希望的二氧化碳电还原催化剂.然而,铜位点周围电极-电解质界面的复杂环境阻碍了人们对该体系机理的全面认识以及在机理基础上的系统性优化.本文建立了一个电双层模型来研究在有外加电位条件下碱金属阳离子对单分散铜氮掺杂碳催化剂表面二氧化碳电还原的影响.巨正则系综密度泛函理论计算表明,在相对标准氢电极电势1.2 V的条件下,水合钠离子促进了CO_(2)在Cu位点上的电吸附,使其形成弯曲的二氧化碳负离子;而在足够负的电势条件下,CO_(2)的电吸附(Cu+CO_(2)+e-→Cu-CO_(2)-)而非羧基形成步骤,是钠离子协助下CO_(2)还原为CO反应的决速步.此外,铜与带负电的羧基结合形成类似碳酸氢根的结构,或得益于单价Cu的d10电子构型.研究表明,碱金属阳离子在单分散铜氮掺杂碳上二氧化碳电还原的早期阶段发挥了关键作用,而且恒电势条件的模拟对理解反应机理非常重要.

石墨烯褶皱结构对双电层储能性能的理论研究

石墨烯因其出色的比表面积和单层结构而被广泛认为是一种理想的电极材料.然而,实验制备的石墨烯常因官能团、缺陷和位错的引入而出现褶皱和变形.针对这一问题,本文构建了一系列具有不同幅度褶皱(a=0~6.6?)的石墨烯片,并运用分子动力学模拟来研究这些褶皱石墨烯表面的双电层结构.本研究旨在探讨不同褶皱高度和充电状态下双电层的变化规律,及其与超级电容器储能性能之间的关系.研究发现,褶皱石墨烯模型内部的离子浓度随电压的增加呈现多峰层状分布,而表面离子浓度与施加的电压正相关.此外,石墨烯的褶皱结构能够减少离子和水对电极电压响应的敏感性.在不同电压条件下,褶皱型石墨烯结构的面积比电容(C_A)始终高于其平面对应区域,突出了其在提升双电层储能性能上的优势.本研究揭示了石墨烯褶皱结构在调节离子分布、降低电压敏感性,以及增强电化学储能性能方面的特有作用机制.

导电石墨烯孔道内双电层结构的研究

为有效开发和利用新能源,人们迫切需要高性能的超级电容器提供能量的存储和转换.在超级电容器中双电层结构扮演着关键性的角色.本文利用分子动力学方法通过建立开放的石墨烯纳米孔道(1~2 nm),研究了KCl溶液在纳米孔道内的双电层结构,同时也比较了恒电量模拟(Q)和恒电势模拟法(U)下双电层结构的异同.结果表明在恒电势模拟法考虑了导电石墨烯壁的镜像作用使结果更符合实验中的材料系统.而石墨烯壁的镜像作用能额外吸附离子从而增强孔道内部的阴阳离子,这可能有助于电极电容的提升.通过对不同孔道高度的研究,本文发现水分子作为介电材料在水基超级电容器中发挥着决定性的作用.它能在很大程度上抵消不同离子和不同孔道高度下双电层的变化,从而在不同情况下获得了相似的电容.