Molecular Dynamics Study of Interfacial Confinement Effects of Aqueous NaCl Brines in Nanoporous Carbon

化学物理 电解质 纳米孔 分子动力学 离子 材料科学 水溶液 碳纤维 纳米技术 化学 电极 复合材料 计算化学 物理化学 有机化学 复合数
作者
Matthew C. F. Wander,Kevin L. Shuford
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:114 (48): 20539-20546 被引量:51
标识
DOI:10.1021/jp104972e
摘要

In this paper, studies of aqueous electrolyte solutions in contact with a family of porous carbon geometries using classical molecular dynamics simulations are presented. These simulations provide an atomic scale depiction of ion transport dynamics in different environments to elucidate power of aqueous electrolyte supercapacitors. The electrolyte contains alkali metal and halide ions, which allow for the examination of size trends within specific geometries as well as trends in concentration. The electrode pores are modeled as planar graphite sheets and carbon nanotubes with interstices ranging from one to four nanometers. Ordered layers form parallel to the carbon surface, which facilitates focused ion motion under slightly confining conditions. As a result, the ion’s diffusivities are enhanced in the direction of the slit or pore. Further confining the system leads to decreased ion diffusivities. The ions are fully hydrated in all but the smallest slits and pores with those sizes showing increased ion pairing. There is strong evidence of charge separation perpendicular to the surface at all size scales, concentrations, and ion types, providing a useful baseline for examining differential capacitance behavior and future studies on energy storage. These systems show promise as high-power electrical energy storage devices.
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