石墨烯上咪唑類離子液體的振動光譜和極化性質(zhì)研究
發(fā)布時間：2022-01-22 12:06
離子液體作為一種環(huán)境友好型的溶劑,其具有低熔點、低蒸氣壓、較寬的電化學(xué)窗口、可回收性、不可燃性和熱/化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)良性質(zhì),是許多能源應(yīng)用的有前途的候選材料。一個特別有趣的例子是在下一代超級電容器中,離子液體（ionic liquids）作為電解質(zhì)與石墨烯作為電極材料相結(jié)合進行探索。由于超級電容器中儲存的能量主要取決于電極電解液界面,因此人們需要對石墨烯-離子液體界面有透徹的理解。振動光譜（vibrational spectrum）是一個顯示固體和液體材料的結(jié)構(gòu)特征的多功能工具,而基于密度泛函理論（Density functional theory,DFT）的仿真實驗可以在微觀尺度上更精確地研究離子液體的振動光譜。因此在本研究中,用DFT方法計算了離子液體1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（1-Ethyl-3-methylimidazolium Tetrafluoroborate,[Emim][BF4]）和石墨烯-[Emim][BF4]在103500 cm-1范圍的振動光譜,首次運用DFT計算系統(tǒng)地分析...
【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：56 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
[Emim][BF4]的六種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文石墨烯上咪唑類離子液體的振動光譜和極化性質(zhì)研究16勢計算[61]，接下來結(jié)合VMD[67]可視化軟件將分子靜電勢表面圖示，如圖3-2所示。紅色等值面意味著此處靜電勢為正，藍色等值面則相反，意味著此處靜電勢為負。為使石墨烯與[Emim][BF4]離子對結(jié)合更加穩(wěn)定，正負電勢應(yīng)該互補，因此陽離子相對于陰離子而言更加靠近石墨烯表面且陽離子上咪唑環(huán)幾乎與石墨烯表面平行。進而將這一體系進行優(yōu)化和頻率計算。最后，使用GaussView軟件[68]對振峰逐一進行歸屬，并將[Emim][BF4]和石墨烯-[Emim][BF4]中相同的振動模式一一對應(yīng)起來。圖3-2(a)石墨烯的靜電勢表面，(b)[Emim][BF4]的靜電勢表面。紅色和藍色等值面分別代表正、負靜電勢區(qū)域3.3石墨烯上離子液體振動光譜移動的結(jié)果與討論3.3.1離子液體結(jié)構(gòu)及其振動光譜優(yōu)化后的[Emim][BF4]和石墨烯-[Emim][BF4]的結(jié)構(gòu)(g-[Emim][BF4])如圖3-3所示。從圖3-3中可看出，與孤立存在時的[Emim][BF4]離子對相比，在g-[Emim][BF4]中陰離子[BF4]-相對于陽離子[Emim]+的位置發(fā)生改變。在石墨烯的吸引作用下，陰離子[BF4]-與咪唑環(huán)的距離變遠，由咪唑環(huán)的斜上方移動到了幾乎與咪唑環(huán)平面共面且與C2-H鍵位于一側(cè)；而且[Emim][BF4]上陰離子幾乎關(guān)于C2-H鍵左右對稱，而在石墨烯-[Emim][BF4]中，陰離子更加偏向于陽離子上的乙基鏈。這些位置上的變化勢必會引起吸附在石墨烯上的[Emim][BF4]的一些性質(zhì)發(fā)生變化。
蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文石墨烯上咪唑類離子液體的振動光譜和極化性質(zhì)研究17圖3-3[Emim][BF4]和g-[Emim][BF4]的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)[Emim][BF4]的俯視圖，(b)g-[Emim][BF4]的俯視圖，(c)[Emim][BF4]的側(cè)視圖，(d)g-[Emim][BF4]的側(cè)視圖為了更進一步解釋g-[Emim][BF4]體系中陰離子[BF4]-相對于陽離子[Emim]+位置發(fā)生變化的原因，我們采用獨立梯度模型(IGM)來表示g-[Emim][BF4]體系中各片段間的弱相互作用，各片段間的弱相互作用如圖3-4所示，圖中藍色區(qū)域代表表現(xiàn)較強、起吸引作用的弱相互作用，如氫鍵，綠色區(qū)域代表較弱的相互作用，如范德華作用，紅色或橙色區(qū)域代表原子間的互斥作用。從圖3-4中可以看出，由于石墨烯表面與[Emim][BF4]的色散作用較為明顯，從而導(dǎo)致陰離子相對于陽離子的位置發(fā)生變化。而正是由于陰陽離子相對位置的變化，才引起[Emim][BF4]離子間相互作用強度的變化和振動峰的移動等一系列改變。圖3-4片段間弱相互作用示意圖。(a)[Emim]+與[BF4]-之間弱相互作用示意圖，(b)g-[Emim][BF4]體系中片段間弱相互作用示意圖
本文編號：3602168
【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校
【文章頁數(shù)】：56 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
[Emim][BF4]的六種穩(wěn)定結(jié)構(gòu)
蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文石墨烯上咪唑類離子液體的振動光譜和極化性質(zhì)研究16勢計算[61]，接下來結(jié)合VMD[67]可視化軟件將分子靜電勢表面圖示，如圖3-2所示。紅色等值面意味著此處靜電勢為正，藍色等值面則相反，意味著此處靜電勢為負。為使石墨烯與[Emim][BF4]離子對結(jié)合更加穩(wěn)定，正負電勢應(yīng)該互補，因此陽離子相對于陰離子而言更加靠近石墨烯表面且陽離子上咪唑環(huán)幾乎與石墨烯表面平行。進而將這一體系進行優(yōu)化和頻率計算。最后，使用GaussView軟件[68]對振峰逐一進行歸屬，并將[Emim][BF4]和石墨烯-[Emim][BF4]中相同的振動模式一一對應(yīng)起來。圖3-2(a)石墨烯的靜電勢表面，(b)[Emim][BF4]的靜電勢表面。紅色和藍色等值面分別代表正、負靜電勢區(qū)域3.3石墨烯上離子液體振動光譜移動的結(jié)果與討論3.3.1離子液體結(jié)構(gòu)及其振動光譜優(yōu)化后的[Emim][BF4]和石墨烯-[Emim][BF4]的結(jié)構(gòu)(g-[Emim][BF4])如圖3-3所示。從圖3-3中可看出，與孤立存在時的[Emim][BF4]離子對相比，在g-[Emim][BF4]中陰離子[BF4]-相對于陽離子[Emim]+的位置發(fā)生改變。在石墨烯的吸引作用下，陰離子[BF4]-與咪唑環(huán)的距離變遠，由咪唑環(huán)的斜上方移動到了幾乎與咪唑環(huán)平面共面且與C2-H鍵位于一側(cè)；而且[Emim][BF4]上陰離子幾乎關(guān)于C2-H鍵左右對稱，而在石墨烯-[Emim][BF4]中，陰離子更加偏向于陽離子上的乙基鏈。這些位置上的變化勢必會引起吸附在石墨烯上的[Emim][BF4]的一些性質(zhì)發(fā)生變化。
蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文石墨烯上咪唑類離子液體的振動光譜和極化性質(zhì)研究17圖3-3[Emim][BF4]和g-[Emim][BF4]的結(jié)構(gòu)示意圖。(a)[Emim][BF4]的俯視圖，(b)g-[Emim][BF4]的俯視圖，(c)[Emim][BF4]的側(cè)視圖，(d)g-[Emim][BF4]的側(cè)視圖為了更進一步解釋g-[Emim][BF4]體系中陰離子[BF4]-相對于陽離子[Emim]+位置發(fā)生變化的原因，我們采用獨立梯度模型(IGM)來表示g-[Emim][BF4]體系中各片段間的弱相互作用，各片段間的弱相互作用如圖3-4所示，圖中藍色區(qū)域代表表現(xiàn)較強、起吸引作用的弱相互作用，如氫鍵，綠色區(qū)域代表較弱的相互作用，如范德華作用，紅色或橙色區(qū)域代表原子間的互斥作用。從圖3-4中可以看出，由于石墨烯表面與[Emim][BF4]的色散作用較為明顯，從而導(dǎo)致陰離子相對于陽離子的位置發(fā)生變化。而正是由于陰陽離子相對位置的變化，才引起[Emim][BF4]離子間相互作用強度的變化和振動峰的移動等一系列改變。圖3-4片段間弱相互作用示意圖。(a)[Emim]+與[BF4]-之間弱相互作用示意圖，(b)g-[Emim][BF4]體系中片段間弱相互作用示意圖
本文編號：3602168
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