多尺度模拟离子液体/MXene相互作用和储能机制及超级电容器的应用

Resource and energy crisis is common social problem. To solve the problem, the clean and high efficient energy storage devices are indispensable. As a new class of 2D materials, MXene shows the huge potential in substantially improving the capacitance and in building new type of supercapacitor. Meanwhile, ionic liquids are the electrolytes with high operating potential window, thus it is a new strategy to combine MXene with ionic liquid in supercapacitor. However, the interfacial structures and interactions between MXene and ionic liquids are such complicated that it is difficult to investigate directly by experiment. In this work, multiscale simulation will be utilized to investigate the interaction and mechanism for energy storage at different structural scales, in particular clarify the regulation by the structure and hydrogen bond, and pseoducapacitance mechanism. The results will provide the new methodology and the scientific instruction in building new energy storage devices.

资源和能源危机是人类面临的基本问题，清洁高效的储能技术及装置是解决这一问题的重要技术手段，MXene作为新型的2D材料，在储能和制造新型超级电容器方面展示了巨大优势和应用前景，而离子液体电解液具有高的工作电压，取各自的优点，将离子液体和MXene相结合，开创了超级电容器构筑的新模式和新思路。尽管实验上显示好的电化学性能，但复杂的表面结构和相互作用给实验上揭示储能机理和调控机制提出了挑战，而相关的理论研究几乎为空白，成为新型电容器开发的瓶颈。本项目采用多尺度模拟方法，选择功能化和质子型离子液体及离子液体混合溶液，从电子、分子、纳米及介观等不同尺度结构上全面而深入研究IL-MXene的相互作用，尤其是基于结构和氢键的界面调控机制，以及质子转移的赝电容机理，揭示其储能机理，初步形成ILs在2D材料储能机理研究新的方法和新理论，为制备高能量密度、高电容、长寿及绿色储能设备提供理论指导。

鉴于离子液体和MXene二维材料各自优势，本项目创新性将两者结合，为构筑高效储能设备和过程提供了新的思路。为揭示储能机理，本项目以超级电容器为研究对象，采用多尺度模拟计算方法，从电子、分子、纳米等不同角度研究了MXene/ILs超级电容器储能的分子机制、界面结构和调控机理。主要的研究内容包括：1. 离子液体在MXene表面的结构和相互作用；2. 单层MXene/ILs构成超级电容器的界面结构、调控机制和储能机理；3. 多层MXene/ILs构成超级电容器的界面结构、调控机制和储能机理；4. 电子极化及对对界面结构的影响。研究进展阐明了MXene二维材料作为电极在储能中结构优势和灵活性，阐明了ILs作为电解质电化学界面结构和调控机制，尤其是发现了氢键在调控界面结构中的重要作用。其结果对于设计新型的MXene材料和ILs结构有重要的科学意义，为制备高能量密度、高电容、长寿及绿色储能设备提供理论指导。本基金支持发表SCI论4篇，培养博士研究生1名，硕士研究生2名。