Three-Dimensional Molecular Mapping of Ionic Liquids at Electrified Interfaces

离子液体 电极 材料科学 电化学 化学物理 分子动力学 离子键合 超级电容器 电容感应 电解质 纳米技术 离子 化学 计算化学 物理化学 操作系统 催化作用 有机化学 生物化学 计算机科学
作者
Shan Zhou,Kaustubh S. Panse,Mohammad H. Motevaselian,N. R. Aluru,Yingjie Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:14 (12): 17515-17523 被引量:63
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c07957
摘要

Electric double layers (EDLs), occurring ubiquitously at solid-liquid interfaces, are critical for electrochemical energy conversion and storage processes such as capacitive charging and redox reactions. However, to date the molecular-scale structure of EDLs remains elusive. Here we report an advanced technique, electrochemical three-dimensional atomic force microscopy (EC-3D-AFM), and use it to directly image the molecular-scale EDL structure of an ionic liquid under different electrode potentials. We observe not only multiple discrete ionic layers in the EDL on a graphite electrode but also a quasi-periodic molecular density distribution within each layer. Furthermore, we find pronounced 3D reconfiguration of the EDL at different voltages, especially in the first layer. Combining the experimental results with molecular dynamics simulations, we find potential-dependent molecular redistribution and reorientation in the innermost EDL layer, both of which are critical to EDL capacitive charging. We expect this mechanistic understanding to have profound impacts on the rational design of electrode-electrolyte interfaces for energy conversion and storage.

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