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EDL structure of ionic liquid-MXene-based supercapacitor and hydrogen bond role on the interface: a molecular dynamics simulation investigation

MXenes公司 超级电容器 离子液体 电容 电极 分子动力学 电化学 化学物理 密度泛函理论 电解质 材料科学 储能 化学 纳米技术 计算化学 物理化学 热力学 有机化学 功率(物理) 催化作用 物理
作者
Ziyi Wang,Junwu Chen,Yao Li,Kun Dong,Yinghao Yu
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:24 (10): 5903-5913 被引量:30
标识
DOI:10.1039/d1cp05355h
摘要

As a new class of electrodes, MXenes have shown excellent performance in supercapacitors. At the same time, ionic liquid (IL) electrolytes with wider electrochemical windows are expected to substantially increase the supercapacitor capacitance. The combination of MXenes and ILs is promising for energy storage devices with a high energy density and power density. The studies have indicated that the surface terminations of MXenes and the functional groups of ILs, can both strongly influence the supercapacitor's performance. However, studies at the molecular level are still lacking. In this work, we performed molecular dynamics simulations to investigate the interfacial structures and their influence on the energy storage mechanism. The results show that the two ILs exhibit very different charging rates, though the charge densities are similar after charging equilibrium. The interfacial analysis reveals different electrical double-layer (EDL) structures, in which most cations stay perpendicular to the Ti3C2(OH)2 electrode when some cations shift to a vertical arrangement near the Ti3C2O2 electrode. Such structures have led to the higher capacitance of the Ti3C2(OH)2 electrode, even more than 2 times that of the Ti3C2O2 electrode as the potential difference ranges from 0 to 2 V. It was also found that hydrogen bonds between the -OH groups of HEMIm+ cations and terminations of the MXene play an important role in improving the capacitances by aggregating more HEMIm+ cations on the surface of the Ti3C2(OH)2 electrode. Our work provides clear mechanistic evidence that both terminations of the MXene electrodes and functional groups of the IL electrolytes affect the interfacial structures and the EDL formation, further leading to the different supercapacitor performance, which will be helpful in designing highly efficient energy-storage devices.
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