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Analytical Interfacial Layer Model for the Capacitance and Electrokinetics of Charged Aqueous Interfaces

电容 微分电容 化学 电动现象 化学物理 电荷密度 材料科学 热力学 物理 物理化学 电极 量子力学
作者
Yuki Uematsu,Roland R. Netz,Douwe Jan Bonthuis
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:34 (31): 9097-9113 被引量:30
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.7b04171
摘要

We construct an analytical model to account for the influence of the subnanometer-wide interfacial layer on the differential capacitance and the electro-osmotic mobility of solid-electrolyte interfaces. The interfacial layer is incorporated into the Poisson-Boltzmann and Stokes equations using a box model for the dielectric properties, the viscosity, and the ionic potential of mean force. We calculate the differential capacitance and the electro-osmotic mobility as a function of the surface charge density and the salt concentration, both with and without steric interactions between the ions. We compare the results from our theoretical model with experimental data on a variety of systems (graphite and metallic silver for capacitance and titanium oxide and silver iodide for electro-osmotic data). The differential capacitance of silver as a function of salinity and surface charge density is well reproduced by our theory, using either the width of the interfacial layer or the ionic potential of mean force as the only fitting parameter. The differential capacitance of graphite, however, needs an additional carbon capacitance to explain the experimental data. Our theory yields a power-law dependence of the electro-osmotic mobility on the surface charge density for high surface charges, reproducing the experimental data using both the interfacial parameters extracted from molecular dynamics simulations and fitted interfacial parameters. Finally, we examine different types of hydrodynamic boundary conditions for the power-law behavior of the electro-osmotic mobility, showing that a finite-viscosity layer explains the experimental data better than the usual hydrodynamic slip boundary condition. Our analytical model thus allows us to extract the properties of the subnanometer-wide interfacial layer by fitting to macroscopic experimental data.
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