通过结合模拟和实验技术，伊利诺伊大学香槟分校材料科学与工程研究人员已经能够识别一系列晶体电极上离子液体的双电层结构。

该研究于10月5日发表在JournalofPhysicalChemistryLetters上，结合了分子动力学(MD)模拟和电化学3D原子力显微镜(EC-3D-AFM)，以更全面地了解固液界面。

MatSE教授YingjieZhang和研究生KaustubhPanse与德克萨斯大学奥斯汀分校的一个小组合作进行了MD模拟，他们最近采用了一种著名的AFM技术来开发EC-3D-AFM，它可以进行AFM测量在电化学电池中研究电化学反应过程中表面形态的变化。

了解固体和液体之间的边界(固液界面)对于了解有多少材料系统(例如电池和超级电容器)起作用很重要。此界面处的双电层(EDL)，也称为溶剂化层，指的是固体周围的平行电荷层。正如Panse所说，“EDL是界面处的液体分子层，它们的发生是因为底层固体由于边界效应和其他相互作用而影响上方的液体。”

了解EDL有助于科学家确定系统的工作原理，但这很棘手。由于分子间(分子间)和分子-电极相互作用，很难推导出EDL结构。

在这项研究中，该团队使用了离子液体(液态盐)，用于各种电化学应用，如电池、超级电容器和电解槽。然而，离子液体还没有像水溶液那样得到广泛研究。Panse说，目标是发展关于这些离子液体如何排列在界面上的基本理论。此外，他解释说，“界面上发生的过程决定了整体结果：如果分子沿界面平放，则可能比分子垂直放置时产生更多的电容。分子取向确实影响整体电容和系统的整体性能。”

使用的离子液体系统是1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)亚胺(EMIM-TFSI)。由于其高电容充电窗口，EMIM-TFSI是用于超级电容器和储能设备的模型系统。该团队在一系列晶体电极上研究了这种离子液体：二硫化钼(MoS2)薄片和高度定向的热解石墨(HOPG)。

这些晶体电极的电子特性不同，这意味着如果两个系统上的离子结合相似，那么这些结果可以可靠地归因于EDL而不是电极相互作用。选择离子液体和电极是因为它们是众所周知且经过充分研究的系统，可以对离子液体的EDL进行基础研究。在EC-3D-AFM实验期间，测量并编译了系统在不同电势下的行为，以获得EDL的完整图像。

该团队从MD模拟中观察到阳离子(EMIM+)和阴离子(TSFI-)之间的强结合和分子间相互作用。该模拟研究了EMIM-TFSI/MoS2的第一个EDL中离子液体中所有可能的物种对(EMIM+-EMIM+、TFSI--TFSI-、EMIM+-TFSI-)。结果表明，阳离子(EMIM+)和阴离子(TFSI-)之间存在强烈的分子间相互作用，这与较弱的EMIM+-EMIM+和TFSI-形成对比-TFSI-相互作用。

因此，团队提出最内层的阳离子-阴离子缔合结构是EDL的关键描述符。EMIM-TFSI在两个电极上的模拟EDL结构“惊人地相似”，这表明电极特异性相互作用远弱于离子物种之间分子间相互作用的影响。

EC-3D-AFM实验证实了这些理论预测。研究人员在一系列系统中观察到类似的反应，因此“这些描述符很可能广泛应用于各种电极、电解质和不同的电化学系统，”Panse说。“我们希望它们将来能成为不同电化学系统的合理设计指南。”