碳/离子液体界面的物理电化学是电化学储能、离子电子设备和润滑等广泛应用中发生的过程的基础。阐明碳/电解质界面的电荷存储机制将有助于更好地理解这种系统的操作原理。在此，本研究探测了在从单层石墨烯到石墨的模型碳系统和离子液体1-乙基-3-甲基咪唑鎓双（三氟甲基磺酰基）酰亚胺（EMIM-TFSI）之间形成的电化学双层中存储的电荷。研究了石墨烯层数对界面总电容的影响。研究证明，在纯EMIM-TFSI和中等电位偏压下，石墨烯和石墨的电子性质决定了界面的整体电容，而电解质对后者的贡献则不那么显著。在EMIM-TFSI与相对介电常数不同的溶剂的混合物中，电解质离子和溶剂分子之间的复杂相互作用会影响界面处存储的电荷，在某些条件下，这会克服相对介电系数的影响。这项工作为室温离子液体和碳材料界面的电化学双层结构这一不断发展的主题提供了额外的实验见解。

 
图1. 电容测量设置示意图。

 
图2. 单层和多层CVD石墨烯的拉曼光谱。

 
图3. 在HOPG|neat EMIM-TFSI接口处记录的差分电容C与施加电势E的关系图。从电容电势窗口中记录的EIS数据中提取C。电解质的电势窗口是通过相应的波德相位图中交流电压和电流之间的相位角来估计的。

 
图4. 根据实验部分中描述的实验方案，在纯EMIM-TFSI中的SiO₂/Si上的（a）单层、（b）2层、（C）3层和（d）4层CVD石墨烯片处记录的差分电容C与施加电势E的关系图。使用等式2从电容电势窗口中记录的EIS数据中提取C。数据对应于电解质的电势窗口，如通过相应的波德相位图中交流电压和电流之间的相位角估计的。为了进行（d）中的比较，还给出了图3中对应于HOPG的数据。

 
图5.根据实验部分中描述的实验方案，在与EMIM-TFSI与（a）碳酸二乙酯（DEC，ε_r=3.1）、（b）乙腈（ACN，ε_r=38）、（C）二甲基亚砜（DMSO，ε_r=47）、（d）碳酸亚丙酯（PC，ε_r=64）和（E）甲酰胺（FD，ε_r=111）的1M和2M混合物接触的HOPG上记录的差分电容C与施加电势E的关系图。使用从电容电势窗口中记录的EIS数据中提取C。数据对应于电解质的电势窗口，如通过相应的波德相位图中交流电压和电流之间的相位角估计的。为了进行比较，图3中给出的数据对应于整洁的EMIM-TFSI。

 
图6. 最小电容C_min取决于（a）用于稀释纯EMIM-TFSI的溶剂的相对介电常数ε_r和（b）对应于[EMIM]⁺阳离子结构中与C²键合的氢的1H NMR化学位移（见插图），最小电容C通过对图5中电容平台电位区内的值（即-0.3至0.2V）取平均值来确定。水平蓝色虚线显示了从图3所示数据中获得的纯EMIM-TFSI的C_min值。为了清楚起见，括号中给出了所有溶剂的ε_r值。

 
图7. 2M EMIM-TFSI与碳酸亚丙酯（PC）、碳酸二乙酯（DEC）、乙腈（ACN）、甲酰胺（FD）和二甲基亚砜（DMSO）的混合物的¹H NMR光谱。在右侧面板上，给出了C²、C⁴和C⁵响应的化学位移区域的放大倍数（强度单位乘以3倍）。
   
       相关研究成果由曼彻斯特大学Athanasios A. Papaderakis和Robert A. W. Dryfe等人2024年发表在The Journal of Physical Chemistry C (链接: https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.3c08269)上。原文：Measuring the Capacitance of Carbon in Ionic Liquids: From Graphite to Graphene

转自《石墨烯研究》公众号