Сотрудничество с Московским институтом электроники и математики имени А. Н. Тихонова Национального исследовательского университета «Высшая школа экономики» (МИЭМ НИУ ВШЭ)
Новая модель двойного электрического слоя
Ученые МИЭМ НИУ ВШЭ и Федерального исследовательского центра химической физики имени Н.Н. Семёнова Российской академии наук создали модель для описания двойного электрического слоя (ДЭС) на границе электрод — электролит. Для расчетов использовалось модифицированное уравнение Пуассона — Больцмана. В модели учли специфические взаимодействия между ионами и молекулами растворителя и электродом. Подобный подход позволил точно описать зависимости дифференциальной электрической емкости от потенциала — меры того, насколько эффективно ДЭС может накапливать заряд, когда меняется напряжение. Чем выше дифференциальная емкость, тем больше зарядов может удерживать слой при небольших изменениях напряжения.
|
|
Сергей Доронин, научный сотрудник ФИЦ ХФ РАН выполнял часть исследований, связанных с оценкой параметров аквакомплексов и анализа экспериментальных данных. «Квантовохимические оценки аквакомплексов позволили оценить диапазон параметров ионов, которые можно применять в теоретической модели. Сергей рассказывает – «При анализе экспериментальных данных мы старались добиться не только воспроизведения зависимости при конкретной концентрации электролита, но и также добиться предсказательной силы при других концентрациях. Ключевым моментом этого исследования является заметный эффект энергии взаимодействия ион-вода на профили дифференциальной емкости, подобный факт ранее не освещался в литературе.«Я надеюсь, что подобные продвинутые модели двойного электрического слоя смогут частично заменить ресурсоемкие расчеты молекулярной динамики» — считает Сергей.
Это первая работа в серии исследований, направленных на создание комплексной теории двойного электрического слоя на границе металл — электролит применительно к реальным системам.
Разработанная модель учитывает широкий спектр взаимодействий ионов с электродами и позволяет предсказывать способность исследуемого материала накапливать электрический заряд. Теоретические предсказания модели продемонстрировали отличное совпадение с результатами экспериментов. Рабочие модели двойного электрического слоя в дальнейшем могут помочь в разработке более эффективных суперконденсаторов и химических источников тока для электроники, электромобилей и т.д.
Исследование опубликовано в журнале ChemPhysChem (Daria Mazur, Petr Brandyshev, Sergey Doronin, Yury A. Budkov. Understanding the Electric Double Layer at the Electrode-Electrolyte Interface: Part I - No Ion Specific Adsorption. ChemPhysChem 2024, e202400650. https://doi.org/10.1002/cphc.202400650).
В будущем авторы планируют расширить модель, чтобы охватить системы с более сильными взаимодействиями ионов с электродами, которые встречаются чаще всего в прикладных задачах.