題目：化學缺陷如何影響奈米多孔碳基超級電容器的充電？

日期：2022年11月 15 日，星期三，23:00

時間：1小時

內容介紹

離子去溶劑化和限制是多孔碳基雙電層超級電容器 (Electrical Double-Layer ,EDL) 進行充電和放電循環的關鍵物理過程。雙電層 (EDL) 電容器的術語來自於無孔電極的經典圖片，這些電極在電壓極化時在其附近積聚帶相反電荷的離子。這張圖片雖然很受歡迎，但顯然不適用於具有次奈米孔的多孔電極。特別是，EDL 的平均場(mean-field) Gouy-Chapman 描述在高摩爾濃度和小於幾奈米的孔徑（對於碳基底通常為 4 nm）時失效。 EDL 預測通常依賴於 Poisson-Boltzmann 理論和修改版本，例如 Debye-Hückel。目前，還沒有理論能夠解決電化學裝置中常用的無序多孔碳材料的奈米孔中離子的靜電問題。

我們提出了一種新方法來描述超級電容器環境中次奈米 (sub-nanometric)孔碳電極 (Pikunic 2003) 中的充電和放電過程，我們稱之為化學驅動電荷定位模型 (chemically driven charge localization,CDCL)。儘管具有平均場特性，但 CDCL 方法是對當前在原子尺度上模擬帶電器件的標準方法的改進，即無法正確描述次奈米孔中離子對接的恆定電荷和恆定電壓方法 (Dupuis 2022）。根據 DFT 計算，CDCL 方法包括將電荷定位在有缺陷的非 sp2 碳位點上，包括化學或拓撲缺陷。與標準方法相比，這允許模擬電極外表面的吸附和次奈米孔內對接。應用於奈米多孔碳的真實紋理，我們可以揭示次奈米多孔碳基超級電容器裝置在運行中的電容效應背後的基本過程。我們特別表明，次奈米孔構成了使用標準水性電解質的這種設備的電容的約 20%。更詳細地，我們表明離子在孔中的對接之前是在外部孔表面附近的不對稱去溶劑化。鈉離子和氯離子的去溶劑化過程實際上是不同的，因為鈉的水合殼比氯離子的水合殼更緊密。一旦離子被去溶劑化，它們就可以進入奈米孔；與原位 X 射線實驗（Prehal 2017）一致，次奈米孔主要填充有裸離子。

演講嘉賓

Roland Pellenq
研究總監
國家科學研究中心 (CNRS)

Roland Pellenq 是 CNRS 的研究主任，法國政府科學研究機構 EPiDaPo George Washington / CNRS 聯合實驗室以及華盛頓特區喬治城大學物理系的客座教授。 Roland Pellenq 是一位計算材料科學家，對微孔和奈米孔材料以及受限流體的物理和力學有著濃厚的興趣。在獲得艾克斯-馬賽大學（法國）等離子體物理學碩士學位後，他於 1994 年獲得倫敦帝國理工學院（英國）化學物理學博士學位，並於 2000 年獲得奧爾良大學（法國）物理學學位。 Roland Pellenq 的研究致力於開發自Bottom-up的模擬方法（從原子級別的描述開始），以解決能源和環境中的各種關鍵問題，從氫和 CH₄ 儲存、CO₂ 封存、頁岩氣到水泥的基本原理和具體的研究，以及最近關於城市物理學的研究。 R. Pellenq 是在主要同行評審科學期刊上發表的 250 多篇論文的作者或共同作者。他是位於麻省理工學院的 MIT-CNRS 聯合實驗室“能源與環境的多尺度材料科學”的創始人和負責人。 （2012-2020）。他現在領導一項城市物理學研究工作，通過統計物理學的棱鏡將城市肌理聯繫起來，並應用於名為 COMPLEX-Cities 的環境、公共衛生和氣候挑戰。

R. Pellenq 獲得了多項研究獎項，包括 2019 年艾克斯-馬賽大學頒發的 Prix Special du Jury、Trophées de l'Innovation； 2018年歐洲地質力學協會ALERT研究獎章； 2017年美國工程機械學會（EMI）表彰獎，表彰他對國內外社會的傑出服務和奉獻精神； 2003 年獲得法國科學與技術節青年研究員獎，2002 年獲得法國物理學會分部 de Physique-Chimie 青年研究員獎。

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