碳/離子液體界面的物理電化學(xué)是電化學(xué)儲能、離子電子設(shè)備和潤滑等廣泛應(yīng)用中發(fā)生的過程的基礎(chǔ)。闡明碳/電解質(zhì)界面的電荷存儲機制將有助于更好地理解這種系統(tǒng)的操作原理。在此，本研究探測了在從單層石墨烯到石墨的模型碳系統(tǒng)和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑鎓雙（三氟甲基磺?；啺罚‥MIM-TFSI）之間形成的電化學(xué)雙層中存儲的電荷。研究了石墨烯層數(shù)對界面總電容的影響。研究證明，在純EMIM-TFSI和中等電位偏壓下，石墨烯和石墨的電子性質(zhì)決定了界面的整體電容，而電解質(zhì)對后者的貢獻則不那么顯著。在EMIM-TFSI與相對介電常數(shù)不同的溶劑的混合物中，電解質(zhì)離子和溶劑分子之間的復(fù)雜相互作用會影響界面處存儲的電荷，在某些條件下，這會克服相對介電系數(shù)的影響。這項工作為室溫離子液體和碳材料界面的電化學(xué)雙層結(jié)構(gòu)這一不斷發(fā)展的主題提供了額外的實驗見解。
圖1. 電容測量設(shè)置示意圖。
圖2. 單層和多層CVD石墨烯的拉曼光譜。
圖3. 在HOPG|neat EMIM-TFSI接口處記錄的差分電容C與施加電勢E的關(guān)系圖。從電容電勢窗口中記錄的EIS數(shù)據(jù)中提取C。電解質(zhì)的電勢窗口是通過相應(yīng)的波德相位圖中交流電壓和電流之間的相位角來估計的。
圖4. 根據(jù)實驗部分中描述的實驗方案，在純EMIM-TFSI中的SiO
2/Si上的（a）單層、（b）2層、（C）3層和（d）4層CVD石墨烯片處記錄的差分電容C與施加電勢E的關(guān)系圖。使用等式2從電容電勢窗口中記錄的EIS數(shù)據(jù)中提取C。數(shù)據(jù)對應(yīng)于電解質(zhì)的電勢窗口，如通過相應(yīng)的波德相位圖中交流電壓和電流之間的相位角估計的。為了進行（d）中的比較，還給出了圖3中對應(yīng)于HOPG的數(shù)據(jù)。
圖5.根據(jù)實驗部分中描述的實驗方案，在與EMIM-TFSI與（a）碳酸二乙酯（DEC，ε
r=3.1）、（b）乙腈（ACN，ε
r=38）、（C）二甲基亞砜（DMSO，ε
r=47）、（d）碳酸亞丙酯（PC，ε
r=64）和（E）甲酰胺（FD，ε
r=111）的1M和2M混合物接觸的HOPG上記錄的差分電容C與施加電勢E的關(guān)系圖。使用從電容電勢窗口中記錄的EIS數(shù)據(jù)中提取C。數(shù)據(jù)對應(yīng)于電解質(zhì)的電勢窗口，如通過相應(yīng)的波德相位圖中交流電壓和電流之間的相位角估計的。為了進行比較，圖3中給出的數(shù)據(jù)對應(yīng)于整潔的EMIM-TFSI。
圖6. 最小電容C
min取決于（a）用于稀釋純EMIM-TFSI的溶劑的相對介電常數(shù)ε
r和（b）對應(yīng)于[EMIM]
+陽離子結(jié)構(gòu)中與C
2鍵合的氫的1H NMR化學(xué)位移（見插圖），最小電容C通過對圖5中電容平臺電位區(qū)內(nèi)的值（即-0.3至0.2V）取平均值來確定。水平藍色虛線顯示了從圖3所示數(shù)據(jù)中獲得的純EMIM-TFSI的C
min值。為了清楚起見，括號中給出了所有溶劑的ε
r值。
圖7. 2M EMIM-TFSI與碳酸亞丙酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、乙腈（ACN）、甲酰胺（FD）和二甲基亞砜（DMSO）的混合物的
1H NMR光譜。在右側(cè)面板上，給出了C
2、C
4和C
5響應(yīng)的化學(xué)位移區(qū)域的放大倍數(shù)（強度單位乘以3倍）。
相關(guān)研究成果由曼徹斯特大學(xué)Athanasios A. Papaderakis和Robert A. W. Dryfe等人2024年發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C (鏈接: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c08269)上。原文：Measuring the Capacitance of Carbon in Ionic Liquids: From Graphite to Graphene
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
