将有机分子限制在微孔电极中以增强能量存储效果

《ACS Applied Energy Materials》：Confinement of Organic Molecules in Microporous Electrodes for Enhanced Energy Storage

微孔电极（孔径<2nm）通过分子受限效应显著改变有机分子和离子的电化学行为，最大氧化还原电位偏移达252mV，其机理源于微孔内离子电化学势的额外贡献，经修正的Donnan模型和DFT模拟验证，同时将微孔电极应用于电池正负极，使放电电压提升39%和能量密度提高36%。

　　

微孔电极（孔径小于2纳米）能够将分子限制在结构独特、带电的微小空间内，这些分子表现出与在电极表面自由移动的分子不同的特性。通过表面分析和电化学测试，我们发现有机分子在微孔中的受限状态会使它们的氧化还原电位偏离经典纳尔斯特理论预测的范围，最大偏差可达252毫伏。我们发现离子的电化学电位中存在额外的贡献因素，这种因素导致了这种电位变化的热力学极限，并利用改进的Donnan模型进行连续介质尺度模拟来验证这一极限及其偏差。密度泛函理论模拟进一步证实，微孔限制能够改变电荷转移的机制。我们研究了水溶液中有机分子和金属有机分子在微孔环境中的行为规律，这些规律取决于它们的亲电性、电荷分布、核心结构以及分子官能团（即侧链）。最后，通过在封闭式二次电池的高电位区和低电位区使用微孔电极，我们发现将大孔电极替换为微孔电极后，开路电压提高了39%，放电能量密度相应增加了36%。