碳/離子液體界面的物理電化學是電化學儲能、離子電子設備和潤滑等廣泛應用中發生的過程的基礎。闡明碳/電解質界面的電荷存儲機制將有助于更好地理解這種系統的操作原理。在此，本研究探測了在從單層石墨烯到石墨的模型碳系統和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑鎓雙（三氟甲基磺酰基）酰亞胺（EMIM-TFSI）之間形成的電化學雙層中存儲的電荷。研究了石墨烯層數對界面總電容的影響。研究證明，在純EMIM-TFSI和中等電位偏壓下，石墨烯和石墨的電子性質決定了界面的整體電容，而電解質對后者的貢獻則不那么顯著。在EMIM-TFSI與相對介電常數不同的溶劑的混合物中，電解質離子和溶劑分子之間的復雜相互作用會影響界面處存儲的電荷，在某些條件下，這會克服相對介電系數的影響。這項工作為室溫離子液體和碳材料界面的電化學雙層結構這一不斷發展的主題提供了額外的實驗見解。
圖1. 電容測量設置示意圖。
圖2. 單層和多層CVD石墨烯的拉曼光譜。
圖3. 在HOPG|neat EMIM-TFSI接口處記錄的差分電容C與施加電勢E的關系圖。從電容電勢窗口中記錄的EIS數據中提取C。電解質的電勢窗口是通過相應的波德相位圖中交流電壓和電流之間的相位角來估計的。
圖4. 根據實驗部分中描述的實驗方案，在純EMIM-TFSI中的SiO
2/Si上的（a）單層、（b）2層、（C）3層和（d）4層CVD石墨烯片處記錄的差分電容C與施加電勢E的關系圖。使用等式2從電容電勢窗口中記錄的EIS數據中提取C。數據對應于電解質的電勢窗口，如通過相應的波德相位圖中交流電壓和電流之間的相位角估計的。為了進行（d）中的比較，還給出了圖3中對應于HOPG的數據。
圖5.根據實驗部分中描述的實驗方案，在與EMIM-TFSI與（a）碳酸二乙酯（DEC，ε
r=3.1）、（b）乙腈（ACN，ε
r=38）、（C）二甲基亞砜（DMSO，ε
r=47）、（d）碳酸亞丙酯（PC，ε
r=64）和（E）甲酰胺（FD，ε
r=111）的1M和2M混合物接觸的HOPG上記錄的差分電容C與施加電勢E的關系圖。使用從電容電勢窗口中記錄的EIS數據中提取C。數據對應于電解質的電勢窗口，如通過相應的波德相位圖中交流電壓和電流之間的相位角估計的。為了進行比較，圖3中給出的數據對應于整潔的EMIM-TFSI。
圖6. 最小電容C
min取決于（a）用于稀釋純EMIM-TFSI的溶劑的相對介電常數ε
r和（b）對應于[EMIM]
+陽離子結構中與C
2鍵合的氫的1H NMR化學位移（見插圖），最小電容C通過對圖5中電容平臺電位區內的值（即-0.3至0.2V）取平均值來確定。水平藍色虛線顯示了從圖3所示數據中獲得的純EMIM-TFSI的C
min值。為了清楚起見，括號中給出了所有溶劑的ε
r值。
圖7. 2M EMIM-TFSI與碳酸亞丙酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、乙腈（ACN）、甲酰胺（FD）和二甲基亞砜（DMSO）的混合物的
1H NMR光譜。在右側面板上，給出了C
2、C
4和C
5響應的化學位移區域的放大倍數（強度單位乘以3倍）。
相關研究成果由曼徹斯特大學Athanasios A. Papaderakis和Robert A. W. Dryfe等人2024年發表在The Journal of Physical Chemistry C (鏈接: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c08269)上。原文：Measuring the Capacitance of Carbon in Ionic Liquids: From Graphite to Graphene
轉自《石墨烯研究》公眾號
