Atomistic simulation of the interaction of electrolyte with graphite nanostructures in advanced supercapacitors
We investigated the electrical double layer at the boundary of an aqueous solution of electrolyte and electrodes made of carbon material. The aim of the work was to evaluate the capacity characteristics of the system and the elucidation of the major factors affecting their properties. For this purpose it was given a numerical simulation of the electrical double layer using the method of quantum molecular dynamics approach using DFT. The study evaluated the capacitive properties and found the predominant influence of electron-hole plasma carbon electrode on system capacity.
В работе исследовался двойной электрический слой на границе водного раствора электролита и электрода, изготовленного из углеродного материала. Целью работы была оценка ёмкостных характеристик такой системы и выяснение основных факторов, влияющих на их свойства. С этой целью было приведено численное моделирование двойного электрического слоя с помощью метода квантовой молекулярной динамики с использованием приближения DFT. В ходе исследования была сделана оценка ёмкостных свойств и установлено преобладающее влияние электронно-дырочной плазмы углеродного электрода на ёмкость системы.
численное моделирование, двойной электрический слой, ёмкостные характеристики
1. Kovalyuk Z.D., Yrtsenyuk S.P., Mintyanskii I.V., Savitskii P.I. Activated carbon based supercapacitors // Functional Materials. 2002. V.9. N.3. P. 550. 2. Кузнецов В. П., Компан М. Е. Емкостные характеристики нанопористых углеродных материалов в ионистрах на основе твёрдого электролита RbAg4I5 // Электро-химия. 2009. Т. 45. № 5. 2009. С. 574. 3. Кузнецов В. П., Компан М. Е. Раман-эффект в аддиктивно окрашенных суперионных монокристаллах RbAg4I5 // Письма в ЖЭТФ. 1990. Т. 51. вып. 1. С. 25. 4. Vivekchand S.R.D., Chandra S. R., Subrahmanyam K.S., Govindaraj A., Rao C.N.R. Graphene-based electrochemical supercapacitors // J. Chem. Sci. 2008. V.120. No.1. P.9. 5. Beck F., Dolata M., Grivei E., Probst N. Electrochemical supercapacitors based on industrial carbon blacks in aqueous H2SO4 // Journal of Applied Electrochemistry. 2001. V. 31. No. 8. P. 845. 6. Корыта К., Дворжак И., Богачкова В. Электрохимия // М. “Мир”. 1977. 7. A. Lewandowski and M. Galinski // J. Phys. Chem. Solids, 2004, V. 65, P. 281. 8. P. Suarez, V. Selbach, J. Dullius and S. Einloft // Electro-chim. Acta, 1997, V. 42, P. 2533. 9. Vera Lockett, Rossen Sedev, John Ralston, Differential Capacitance of the Electrical Double Layer in Imidazolium-Based Ionic Liquids: Influence of Potential, Cation Size, and Temperature // J. Phys. Chem. C, 2008, V.112, P.7486 10. Frackowiak E., Beguin F. Carbon materials for the electro-chemical storage of energy in capacitors // Carbon. 2001. V. 39. P. 937. 11. Niu C. M., Sichel E. K., Hoch R., Moy D. and Tennent H. High power electrochemical capacitors based on carbon nanotube electrodes // Appl. Phys. Lett. 1997. V. 70. P. 1480 12. Joseph K. Campbell, Li Sun, Richard M. Crooks. Electro-chemistry Using Single Carbon Nanotubes // J. Am. Chem. Soc. 1999. V. 121 (15). P. 3779. 13. Гурьянов В.В., Петухова Г.А., Поляков Н.С., Прогнози-рование параметров микропористой структуры и ад-сорбционных свойств активных углей // Известия Академии Наук. Серия химическая. 2001. № 6. С. 933. 14. Grapham D.C. Differential Capacity of Mercury in Aqueous Sodium Fluoride Solutions. I. Effect of Concentration at 25° // J. Amer. Chem. Soc. 1954. V.76. P. 4819. 15. Захаренко В.Н. Колоидная химия // М.: Высшая школа, 1989. 16. Кутепов А.М. Концентрированные и насыщенные растворы.// М.: Наука, 2002. 17. Sergey A. Kislenko, Igor S. Samoylov, Ravil H. Amirov, Molecular dynamics simulation of the electrochemical interface between a graphite surface and the ionic liquid [BMIM][PF6] // Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, V. 11, P. 5584 18. Chaban V.V., Kalugin O.N., Structure and dynamics in methanol and its lithium ions solution confined by carbon nanotubes // Journal of Molecular Liquids. 2009. V. 145. P. 145. 19. Чабан В.В., Калугин О.Н. Молекулярно-динамическое моделирование структуры и динамики жидкого ацетонитрила внутри углеродных нанопор // Успехи в химии и химической технологии. 2007. Т.21. №3. С.40. 20. Коненкова Е.В., Grundler D., Morgenstern M., Wiesen-danger R. Электронный переход металл-изолятор в графите: сравнение с гетероструктурами с высокой подвижностью носителей заряда// Письма ЖТФ. 2008. Т.34. вып.1. С.64. 21. Modern Methods and Algorithms of Quantum Chemistry / ed. By J. Grotendorst Julich: John von Neumann Institute for Computing, 2000. pp. 301−449. 22. Kalinichev A.G., Molecular simulations of liquid and su-percritical water: Thermodynamics, structure, and hydrogen bonding. // Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 2001. V.42. P. 83-129. 23. Plimpton S.J.//J. Comp. Phys. 1995. 117. 1. URL http://lammps.sandia.gov/index.html 24. CPMD. Car-Parrinello Molecular Dynamics. An ab initio Electronic Structure and Molecular Dynamics Program. // URL http://www.cpmd.org/cpmd_manual.html 25. S. Ihnatsenka, I. V. Zozoulenko, Conductance of a quantum point contact based on spin-density-functional theory // Phys. Rev. B. 2007. V.76. P. 045338 26. А.В.Ланкин, В.В. Стегайлов, "Атомистическое моделирование взаимодействия электролитов с графитовыми наноструктурами в перспективных суперконденсаторах" секция "Математическое моделирование нанотехнологий, II Международный форум по нанотехнологиям, Москва, Экспоцентр, 6-8 октября 2009 г. 27. Pranjivan Velji Popat, Norman Hackerman, Capacity of the electrolitical double layer and adsorption at polarized plati-num electrodes. // J. Phys. Chem. B. 1958. V.62. Iss. 10. P.1198 28. Sams J.R., Lees C.W., Graham D.C. Properties of the elec-trolitical double layer in concenratium chloridesolutions // J. Phys. Chem. 1959. V. 63. P. 2032 29. Jean-Paul Randin and Ernest Yeager Differential Capaci-tance Study of Stress-Annealed Pyrolytic Graphite Elec-trodes // J. Electrochem. Soc. 1971. V. 118. Issue 5. pp. 711-714 30. Кульбачинский В.А., Сорокина Н.Е., Кувшинников С.В., Ионов С.Г. Эффект Шубникова- де Гаазе и энер-гетический спектр соединений внедрений в графит с азотной кислотой// Физика твёрдого тела. 2003. Т.45. вып.12. С. 216. 31. S. Aronson, F.J. Salzano, D. Bellafiore, Thermodinamic Properties of the Potassium-Graphite Lamellar Compounds from Solid-State emf Measurements// J. Chem. Phys. 1968. V. 49. P.434.
