二维纳米通道网络中离子液体结构、性质及传质机制研究

Ionic liquids and low-dimensional materials such as graphene have broad application prospects in the field of energy storage devices such as supercapacitors. In terms of their design, the understanding of the structural-properties relationship and regulation mechanism of ionic liquids in two-dimensional nanochannel networks self-assembly formed by low-dimensional materials is one of the key issues. However, due to the limitations of the structural complexity of self-assembled nanochannel networks and the diversity of ionic liquid species, etc., the understanding of the structures, properties and regulation mechanisms of ionic liquids in two-dimensional nanochannel is still relatively scarce. Therefore, this project intends to use the multi-scale simulation method, combining classical fluid theory, to investigate the ionic liquids in the two-dimensional nanochannel network. Specifically, we can obtain the basic structure and proportion of different types of two-dimensional nanochannel such as pore-defected channel and folding channel, etc. in self-assembled nanochannel networks. Then study the nanostructures, transport properties and mass transfer mechanisms of ionic liquids in two-dimensional nanochannel and their quantitative relationships with nanochannel structures, and construct the mesoscale transport and mass transfer models suitable for two-dimensional nanochannel networks, and then develop a new method for controlling the structure and property of ionic liquids based on nanostructured network, and finally provide theoretical reference for the optimal design of high performance supercapacitors, efficient gas capture and detection devices, etc..

石墨烯等低维材料与离子液体在超级电容器等储能领域有着广泛的应用前景，就其设计而言，理解离子液体在低维材料自组装形成的复杂二维纳米通道网络中的构效关系及其调控机理是其中的关键科学问题。然而，由于受到自组装纳米通道网络的结构复杂性及离子液体种类的多样性等的影响，使得对离子液体在纳米通道中的结构、性质及其调控机制的理解还不够深入。本项目拟采用多尺度模拟和流体理论相结合的方法，首先建立由孔缺陷通道、褶皱通道、层间氧化通道等组成的自组装二维纳米通道网络结构，然后对纳米通道中的离子液体展开系统的研究，以期获得离子液体在纳米通道中的纳微结构、性质、传质机制及其与通道网络结构的定量关系，构建适用于二维纳米通道网络的介尺度传递和传质模型，进而提炼出基于纳米通道网络的离子液体结构和性质调控的新方法，最终为基于离子液体的高性能超级电容器、高效气体捕集与检测等器件的优化设计提供理论参考。

化石能源短缺、汽车尾气污染等问题日益严重，驱动了人们对新能源及其储存转移技术等相关领域发展的强烈需求。在新能源领域，应用于超级电容器等高性能的储能器件的电解液及电极材料的设计与开发，一直是学术界和工业界的研究热点。石墨烯等低维材料与离子液体在超级电容器等储能领域有着广泛的应用前景，就其设计而言，理解离子液体在低维材料自组装形成的复杂二维纳米通道网络中的构效关系及其调控机理是其中的关键科学问题。在自然基金委青年科学基金资助下，本项目采用多尺度模拟和流体理论相结合的方法，对二维纳米通道限域离子液体体系进行了深入系统的研究，主要科学发现有三个方面：(1)形成了二维纳米通道的构筑方法，获得了二维纳米通道网络中离子液体的结构及性质与通道网络结构的定量关系，揭示了纳米通道中离子液体结构及性质的调控机制;(2)基于纳米流动的力加载研究方法，获得了二维纳米通道中离子液体的流动行为及性质与通道网络结构的定量关系，构建了适用于纳米通道网络的介尺度离子液体流动模型;(3)基于对限域离子液体结构-扩散-流动关系的科学理解，获得了纳米通道结构与离子扩散系数间的定量关系，揭示了二维纳米通道中离子液体的传质机制，提出了二维限域通道强化离子传质过程的优化方案。共发表期刊论文13篇，其中SCI收录12篇，IF>5论文8篇，ESI高被引论文1篇，受邀封面/封底论文2篇；申请发明专利2项，授权实用新型专利1项；获得中国科协青年人才托举、中国科学院青年创新促进会会员、第五届全国离子液体大会优秀墙报等奖励。圆满完成项目目标，并推进了限域离子液体的科学认知，为离子液体的绿色工程应用提供了有效地科学支撑。