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Accelerated ion transport and charging dynamics in more ionophobic sub-nanometer channels

材料科学 纳米 石英晶体微天平 离子 电解质 纳米技术 纳米流体学 纳米材料 电化学 分子动力学 离子运输机 超级电容器 化学物理 电极 化学 计算化学 物理化学 复合材料 有机化学 吸附
作者
Zheng Bo,Zhesong Huang,Zhouwei Zheng,Yu‐Cheng Chen,Jianhua Yan,Kefa Cen,Huachao Yang,Kostya Ostrikov
出处
期刊:Energy Storage Materials [Elsevier BV]
卷期号:59: 102797-102797 被引量:30
标识
DOI:10.1016/j.ensm.2023.102797
摘要

Layered two-dimensional (2D) nanomaterials are highly promising for boosting energy density of supercapacitors for industrial translation, however their rate performances are limited by the intrinsically sluggish ion transport within sub-nanochannels. Herein, we elaborate and prove a novel concept of electrostatic-repulsion-enabled ionophobic and hydrogen-bonding-enabled hydrophilic surface to substantially enhance ion transport and charging dynamics in sub-nanochannels. The concept is experimentally and theoretically developed through constructing less negatively-charged (-OH terminated) MXene nanochannels and molecular dynamics (MD) studies of electrolyte dynamics in MXene nanochannels with different functional groups, revealing that -OH terminations enable hydrophilic but ionophobic features for unimpeded ion transport. The ion transport mechanisms during the negative charge are further revealed by electrochemical quartz crystal microbalance tests. Electrochemical measurements demonstrate that hydrophilic but ionophobic sub-nanochannels feature drastically reduced ion diffusion resistance (by 90%) and significantly-improved rate performance (from 20.4% to 78.4% at 50 A g–1). The universality of this sub-nanochannel engineering concept is validated in acid electrolyte and composite materials, making it potentially applicable across diverse areas of nanoscience and nanotechnology.
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