离子液体离子输运机理和导电特性的研究
本文选题:离子液体 切入点:宽频介电谱 出处:《南京邮电大学》2016年博士论文
【摘要】:离子液体作为一种新型的绿色溶剂,因其电导率高、热稳定性好、熔点低、零蒸汽压、液程宽、电化学窗口宽等独特的物化属性,在化学合成、工业加工、能量存储等方面有着广泛的应用前景。然而这些工程应用能否有效并真正具有实用价值,取决于离子液体的输运机理和导电特性等重要基础理论的研究和实验。尤其是,业界针对离子液体结构的多样性和离子间相互作用的复杂性,研究方法仍显不足。本文则提出运用离子运动关联的研究思路,以及基于介电谱电极效应的新的唯象研究模型,分析了离子液体的输运机制和导电特性,具有一定的理论研究和实际应用价值。首先,基于离子液体宽频介电谱的研究方法,在离子液体介电谱的低频区,构建了考虑到电极效应的等效电回路模型,有效地获取了离子液体的输运参数和介电性质,为基于介电谱研究离子液体的输运提供了新的唯象研究方法。该模型将样品和电极间形成的电双层等效为电容,简化了离子液体-电极系统。同时理论上推导出了一套完备的特征频率值,并分析了其对应的物理意义,并解释了电极寄生效应的物理机制。利用离子液体介电谱实验数据,通过计算电回路参数和特征频率值,对中低频区介电谱数据实现了较高精度的拟合,并且最终求出了离子液体本体和电双层的基本介电参数,以及与离子迁移相关的宏观输运参数如扩散系数、迁移率、离子液体中有效离子浓度。其次,基于Green-Kubo线性响应理论,利用离子运动关联的概念计算了离子液体的电导率、扩散系数等基本输运性质,为离子液体的输运性质的研究构建了微观理论基础。在质心参照系下,推导了微观离子速度关联和离子液体直流电导率、扩散系数等基本输运性质之间的关系;不依赖于离子缔结的猜测,解释了直流电导率与能斯特-爱因斯坦关系预测值出现偏差的原因;基于体系动量守恒,构建了微观离子速度互相关系数和宏观输运性质之间的关系。再次,利用微观离子运动的自相关特性,基于全原子模型利用分子模拟技术,比较并提出了更低成本的离子液体自扩散系数的计算方法。通过对离子的速度自相关函数和均方位移的统计计算,分析了温度对离子微观运动的影响以及离子微观运动的特性;利用速度自相关函数积分法和均方位移斜率法分别计算了自扩散系数,通过对两种方法计算结果的误差分析,归纳了提高自扩散系数的计算精度的方法;通过数个纳秒高温数据配合经典的Arrhenius拟合方程,为低温下的自扩散系数的计算提供了新的计算方法。最后,利用不同微观离子运动间的互相关作用,发现并阐明了离子液体Vogel-Fulcher-Tamman(VFT)经验方程中拟合参数的物理意义。通过计算常见离子液体中离子速度互相关系数随温度的变化,发现速度互相关系数相较于对单一输运性质如电导率、自扩散系数或粘度的研究,隐含了更为丰富的有价值信息:速度互相关系数显著反映了阴阳离子的结构特征;分型SES图示说明了离子间相互作用对多种输运性质具有同样的影响;速度互相关系数随温度的波动反映了离子间复杂的相互作用,并进一步解释了电导率NE方程偏离值的原因以及该值随温度的波动原因;利用VFT方程可以对速度互相关系数可以进行较高精度的拟合,发现拟合参数0可以高精度地预测离子液体的玻璃化温度,以及拟合参数的比值(/0)反映了离子液体的脆性。
[Abstract]:......
【学位授予单位】:南京邮电大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:O552.4
【参考文献】
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,本文编号:1713208
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