近日（11月16日），《自然通訊》（Nature Communications）以研究長文形式刊發(fā)了華中科技大學(xué)能源學(xué)院馮光教授團隊關(guān)于離子液體超級電容器的最新研究成果。論文題目為“加鹽提高含水離子液體電化學(xué)窗口”（Adding salt to expand voltage window of humid ionic liquids）。我校為第一單位，該論文的共同第一作者分別為能源學(xué)院博士后陳明和廈門大學(xué)博士生吳杰督，通訊作者為馮光。
離子液體僅由陰陽離子組成，在室溫下呈液態(tài)。除了揮發(fā)性低、熱穩(wěn)定性好、不可燃等優(yōu)點，相比常用的水或有機溶液電解質(zhì)，離子液體具有更高的電化學(xué)窗口（4~6 V）。近些年來，用作儲能裝置（如超級電容器和電池）、電潤濕技術(shù)等所需的電解質(zhì)，離子液體正受到越來越多研究者的關(guān)注和重視。因其固有的吸水性，離子液體中的水總是難以被徹底除去。針對離子液體含水的影響，馮光團隊的前期工作（Nature Communications, 2018, 9, 5222）表明，在形成電極-離子液固液界面的過程中，離子液體的親疏水性決定了水的吸附行為：親水性離子液體可以有效避免離子液體中的水吸附在負(fù)電極表面上，從而避免工作電壓的降低；而疏水離子液體中的水將會富集在電極表面上，而減小其工作電壓與性能。因此，如何減小含水的疏水離子液體中水的負(fù)面影響，成為了離子液體電解質(zhì)領(lǐng)域內(nèi)亟需解決的關(guān)鍵問題之一。
馮光團隊利用分子動力學(xué)模擬和第一性原理計算為主要研究手段，發(fā)現(xiàn)向含水的疏水離子液體電解質(zhì)中添加少量的鋰鹽，既可以有效避免含水離子液體中的水吸附在電極表面上，又可以降低電極吸附水的反應(yīng)活性，從而增大了含水離子液體電解質(zhì)的電壓窗口。這一方案適用于不同種類的疏水離子液體。模擬預(yù)測結(jié)果得到了合作者廈門大學(xué)毛秉偉和顏佳偉教授團隊的實驗證實。團隊進一步闡釋了加鹽的微觀作用機制和實現(xiàn)原理：由于鋰離子的強水化作用，水被拽離了電極壁面；鋰離子與仍吸附在電極上的水相結(jié)合，降低了水的反應(yīng)活性；鋰離子改變了吸附水的方位分布，抑制了水的分解；與鋰離子結(jié)合，降低了水的HOMO能級，從而提高了其氧化穩(wěn)定性。
該工作基于納米尺度界面與能質(zhì)傳遞的基礎(chǔ)研究，以儲能器件中的電極-電解質(zhì)固液界面為研究對象，探究了添加鋰鹽對疏水離子液體在電極表面上吸附水的影響規(guī)律及其作用機理。這一研究結(jié)果，以及前期有關(guān)親水離子液體的工作，解決了離子液體因吸水而降低電壓的難題，不但給離子液體超級電容器儲能技術(shù)的研究與開發(fā)提供了新思路、新方案，而且還有利于含水離子液體在其他領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用（如具有高濃度鹽溶液的電池）。同時，利用類似策略“開發(fā)恒電勢分子模擬技術(shù)”研究納米尺度界面與能質(zhì)傳遞現(xiàn)象，通過跨尺度理論和方法并結(jié)合實驗驗證，馮光團隊還開展了基于導(dǎo)電MOFs和離子液體的新型超級電容器的研究工作，成果已于數(shù)月前刊發(fā)在了《自然材料》上，我校為第一單位。
這些工作都得到了國家自然科學(xué)基金委的資助。
來源：華中科技大學(xué)能源學(xué)院 通訊員 趙云霞
