Heavy Water Enables High-Voltage Aqueous Electrochemistry via the Deuterium Isotope Effect

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作者
Shengying Cai,Tianwen Bai,Hao Chen,Wenzhang Fang,Zhen Xu,Haiwen Lai,Tieqi Huang,Hanyan Xu,Xingyuan Chu,Jun Ling,Chao Gao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:11 (1): 303-310 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.9b03267
摘要

Aqueous electrolytes, which possess the advantages of nonflammability and high ionic conductivity for safe and sustainable energy storage systems, are restricted by their narrow potential windows due to water electrolysis. The recent study of high-voltage aqueous electrolytes has mainly focused on the molecular-level hydration structure of electrolyte salts, while the influence from subatomic-scale neutrons of the water solvent has never been considered. Here, for the first time, we report an electrochemical isotope effect in which the numerically increased neutrons in the water solvent extend the potential window of aqueous electrolytes. This effect is caused by the following factors: the lower zero-point energy of the deuterium compound, the smaller ion product, and the larger dehydration energy of heavy water. It is affected by ion species, electrolyte concentrations, and the ratio of deuterium to protium. Our finding provides the new insight into aqueous electrochemistry that the isotope in molecular water improves the performance of aqueous electrolytes.
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