عنوان
تأثير ساختار حلال بر مكانيسم شارژ و ظرفيت ابرخازن لايه‌ي دوگانه الكتريكي بر پايه‌ي مايعات يوني با الكترود‌هاي متخلخل با استفاده از نظريهي تابعي چگالي كلاسيكي
نويسنده اصلي
دوست محمدي، فاطمه
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
رشته تحصيلي
شيمي
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
چكيده
هدف اصلي اين پايان‌نامه بررسي اثر ساختار و مشخصات فيزيكي حلال در ابرخازن‌‌هاي لايه‌ي دوگانه‌‌ي الكتريكي مبتني بر الكتروليت مخلوط مايع يوني-حلال بر مكانيسم شارژ و منحني ظرفيت است. در اين راستا از نظريهي تابعي چگالي كلاسيكي براي محاسبه‌ي توزيع چگالي گونه‌ها در نانوحفره‌‌ي كروي به‌عنوان يكي از حفرات الكترود متخلخل استفاده شده است. در مدل مورد بررسي كاتيون و آنيون به صورت كرات سخت بار‌دار با اندازه‌هاي متفاوت در نظر گرفته شده، در حالي كه حلال به دو شكل مونومري و ديمري و با اندازه سگمنت‌هاي برابر مدل‌سازي شده‌اند. حلال مونومري مدل ساده‌اي از پروپيلن كربنات و حلال ديمري مدلي از استونيتريل مي‌باشد كه علاوه‌بر ساختار، از لحاظ چگالي و ثابت دي‌الكتريك با يك ديگر متفاوت هستند. در اين مطالعه، حلال به‌عنوان گونه‌اي بدون بار مدل سازي شده است كه بر‌هم‌كنش آن با ديواره‌ي نانوحفره از نوع وندروالسي در نظر گرفته مي‌شود. اثر عوامل مختلفي مانند چگالي و درصد مولي حلال، ثابت دي‌الكتريك مخلوط و ساختار گونه‌هاي حلال، بر پارامتر شارژ و ظرفيت ابرخازن لايه‌ي دوگانه الكتريكي مطالعه شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه حضور حلال مونومري باعث ايجاد ساختار لايه‌اي درون نانوحفرات الكترود شده و با افزايش درصد مولي حلال جذب بيشتر يون‌هاي كوچك به درون حفره در پتانسيل‌هاي اعمالي كم رخ مي‌دهد. همچنين نتايج نشان مي‌دهد ثابت دي‌الكتريك بالاتر موجب انتخاب‌پذيري بهتر در محدوه پتانسيل‌هاي كوچك مي‌شود. اين پديده باعث افزايش ظرفيت و بار ذخيره‌شده در درون ابرخازن، با افزايش درصد مولي حلال مونومري، با ثابت دي‌الكتريك بالاتر مي‌شود. منحني ظرفيت در الكتروليت مخلوط مايع يوني و حلال مونومري به شكل زنگوله‌اي است. همچنين افزايش حلال مونومري در سامانه موجب رخداد بيشتر مكانيسم جذب يون‌هاي مخالف به حفره در پتانسيل‌هاي بالا مي‌شود كه حاكي از بيشتر شدن سرعت شارژ در پتانسيل‌هاي بالا است. حضور حلال ديمري سبب كاهش حجم قابل‌دسترس و اشغال فضاي بيشتري شده كه در نتيجه موجب كاهش جذب گونه‌هاي يوني به درون حفره در پتانسيل‌هاي كم مي‌شود. ثابت دي‌الكتريك پايين‌تر سامانه‌هاي مخلوط با حلال ديمري به نسبت حلال‌هاي مونومري، موجب جذب كاتيون و آنيون به طور هم‌زمان مي‌شود. اين امر موجب كاهش ظرفيت و همچنين بار ذخيره‌شده با افزايش درصد مولي حلال ديمري خواهد شد. منحني ظرفيت در الكتروليت مايع يوني در مخلوط با حلال ديمري از نوع زنگوله‌اي است كه با افزايش درصد مولي به كوهاني تبديل مي‌شود. حضور حلال ديمري در مخلوط با مايع يوني موجب انجام بيشتر مكانيسم جذب يون مخالف در تمام محدوده پتانسيل شده و اين موضوع مي‌تواند نشان‌دهنده‌ي افزايش سرعت شارژ باشد. نتايج به‌دست آمده همچنين نشان مي‌دهد كه سامانه‌هاي حاوي حلال مونومري و ديمري به‌ترتيب ظرفيت بيشتر و كمتر از مايع يوني خالص نشان مي‌دهند. همچنين سامانه حاوي حلال مونومري مقادير منفي‌تر و سامانه حلال ديمري مقادير مثبت‌تر از بار خالص يوني سامانه مايع يوني خالص خواهد داشت كه بر روي پارامتر شارژ آن‌ها تاثير‌گذار مي‌باشد. نتايج نشان مي‌دهند كه مكانيسم غالب در مايع يوني خالص در بازه‌ي زيادي از پتانسيل، تبادل يون است كه اين امر با كمتر شدن سرعت شارژ ابرخازن رابطه مستقيمي خواهد داشت. اما حضور حلال به صورت مونومر و ديمر، محدوده مكانيسم تبادل يون را كمتر و مكانيسم جذب يون مخالف را بيشتر كرده و مي‌توان گفت حضور حلال موجب افزايش سرعت شارژ در ابرخازن لايه‌ي دوگانه الكتريكي مي‌شود. در پتانسيل‌هاي بسيار بالا، جايي كه نيروي الكتروستاتيكي يون-ديواره بر نيروي حلال-ديواره غلبه مي‌كند و حلال به نسبت خوبي از حفره واجذب مي‌شود، اثر ثابت دي‌الكتريك محيط بر روي تغييرات سامانه تأثير مي‌گذارد. در اين ناحيه حلال‌هاي مونومري با وجود چگالي كمتر نسبت به حلال ديمري، ظرفيت بيشتري را به علت ثابت دي‌الكتريك بالاتر اين سامانه ارائه مي‌دهد. در پتانسيل‌هاي بالا سرعت شارژ سامانه‌هاي حاوي حلال بسيار بيشتر از سامانه‌ي مايع يوني خالص مي‌باشد و مكانيسم غالب در آن‌ها جذب يون‌هاي مخالف مي‌باشد. اين نكته قابل‌توجه است كه سامانه‌ي حاوي حلال ديمري به دليل چگالي بالاتر حلال در آن‌ها، مقادير پارامتر شارژ و سرعت شارژ بيشتري ارائه مي‌دهند.
شماره ركورد
236281
گرايش رشته تحصيلي
شيمي فيزيك
دانشكده
شيمي
دانشگاه
دانشگاه صنعتي اصفهان