研究人员观察离子液体在离子液体-电极界面的行为

研究人员正在逐步分析在超级电容器、电池和晶体管中使用离子液体的可能性。离子液体是由带负电荷的分子(或负离子)和带正电荷的分子(或阳离子)整合而成的盐。

在相对较低的温度下，即低于环境温度时，这些盐以液态存在。离子液体独特的化学和物理特性，如低易燃性和挥发性，良好的离子导电性，高热稳定性，使其非常适合于此类应用。然而，有成千上万的离子液体，并没有明确的知识，这些液体与电极带电表面的相互作用。因此，为特定的应用选择合适的离子液体是一项挑战。

目前，美国能源部(DOE)的研究人员布鲁克海文国家实验室开发了一种新技术，用于实时检测当电极施加不同电压时，这种液体中的离子移动和重新排列的方式。该技术已在该杂志网络版的一篇论文中进行了报道先进材料亚博网站下载，于2017年5月12日出版。

当离子液体电解质与带电电极接触时，一种由阳离子和阴离子交替层组成的特殊结构——称为双电层(EDL)——在界面上形成。但是，由于EDL非常薄(只有几纳米厚)，并且被离子液体的大部分掩埋，因此很难跟踪EDL的实时演变，EDL是电池中发生电化学反应的地方．

Wattaka Sitaputra，布鲁克海文功能性纳米材料中心科学家亚博网站下载

到目前为止，研究人员只能通过光谱和微观方法观察到初始和最终的EDL结构。然而，对中间结构的观察一直很困难。为了观察电极电压作用下EDL的结构变化和离子的运动，布鲁克海文的研究人员采用了一种被称为光电发射电子显微镜(PEEM)的成像方法。在这种方法中，使用一个能量源来激发表面电子，这些电子被加速进入电子显微镜。表面的电子通过放大镜投射到探测器上。探测器记录从表面反射的电子。表面的对比度图像是利用光电发射信号强度的局部差异形成的。在这里，研究人员使用紫外线激发电子，不仅是研究人员以薄膜形式沉积的离子液体(称为EMMIM TFSI)表面，还有由它们制作的两个金电极表面。

成像整个表面，包括电极及其之间的空间，使我们不仅可以研究离子-液-电极界面的结构演变，而且可以在改变系统的各种条件的同时对两个电极进行探测。

Jerzy (Jurek) Sadowski，科学家，CFN

在初步分析中，研究人员改变了施加在电极上的电压，离子液体薄膜的厚度，以及系统的温度。他们在观察光发射强度变化的同时进行了这些变化。

研究人员发现，在这种离子液体中，通常会以棋盘式的方式分层的离子，会根据施加的电压的符号和大小自行移动和配置。阴离子向带正电荷的电极移动，而阳离子则向带负电荷的电极移动。

当两个电极之间的电势增加时，一个非常密集的负离子或阳离子层会在偏置的电极上聚集，从而阻止相同电荷的离子进一步聚集在那里(即过度拥挤)，并最大限度地降低离子迁移率。

研究人员还发现，在偏置电极较厚的薄膜中，有更多的反电荷离子聚集。

对于非常薄的薄膜，可用于重排的离子数量很小，因此EDL层可能无法形成。在较厚的薄膜中，有更多的离子可用，它们有更多的移动空间。它们冲到界面，然后在过度拥挤时分散回大块，形成更稳定的结构．

Wattaka Sitaputra,科学家,功能纳米材料研究中心，亚博网站下载布鲁克海文国家实验室

该团队还通过冷却较厚的薄膜到离子几乎停止移动的点，研究了迁移在重构过程中的重要性。

研究人员表示，将PEEM应用于operando实验是一个非常创新的想法，之前还没有在离子液体中进行过。

”我们必须克服几个技术上的挑战，在实验设置，包括设计和制造金图案电极和将样品夹在电子显微镜”。描述萨多夫斯基”离子液体可能还没有被研究过，因为将液体放入超高真空显微镜中似乎有违直觉”。

研究人员打算通过使用新的像差校正低能电子显微镜(LEEM)/PEEM系统来延长他们的研究。该系统是通过CFN和国家同步加速器光源II (NSLS-II)的合作安装的，NSLS-II是另一个能源部在布鲁克海文的科学用户设施办公室，NSLS-II的电子光谱显微镜束。亚博老虎机网登录该系统将允许研究人员在一次实验中分析离子液体和电极之间界面的电子和结构变化以及化学变化。确定这些独特的特性将有助于研究人员为特定的能量存储应用选择最合适的离子液体。

这项研究得到了能源部实验室指导研究和发展计划的部分支持，是CFN和布鲁克海文化学和可持续能源技术部门之间的合作伙伴关系。

科学家们获得了这个光电发射电子显微镜电影，而偏压金电极覆盖了三个单层的研究离子液体。对比的变化对应于离子液体-电极界面的光电发射信号强度的变化，表明离子在电极上的电压偏差响应下的迁移。正电压偏置会造成较暗的对比(电极附近阴离子密度较高)，而负电压偏置会造成较亮的对比(电极附近阳离子密度较高)。