溶剂化壳层结构对液态氧化还原对热功率的影响
化学物理
2023-01-24 v1
摘要
热伽伐尼电池的最新进展为高效收集温度低于100 {\deg}C的低品位热量提供了一条有前景的途径。热伽伐尼温度系数 {\alpha}（通常称为有效热功率）是决定热伽伐尼电池功率密度和效率的关键参数。然而，当前对提高氧化还原对 {\alpha} 的理解仍停留在现象学层面而缺乏微观洞察，且高 {\alpha} 电解质的开发在很大程度上依赖实验试错。本工作应用基于分子动力学模拟的自由能微扰方法，预测水溶液和丙酮溶液中 {Fe^{3+}/Fe^{2+}} 氧化还原对的 {\alpha}。我们表明，随着丙酮相对于水的比例增加，{Fe^{3+}/Fe^{2+}} 氧化还原对的 {\alpha} 可从 1.5{\pm}0.3 mV/K 提高到 4.1{\pm}0.4 mV/K。所预测的纯水和纯丙酮中 {Fe^{3+}/Fe^{2+}} 的 {\alpha} 均与实验值高度吻合。通过监测第一溶剂化壳层中偶极取向的涨落，我们发现 Fe^{3+} 与 Fe^{2+} 之间溶剂偶极取向方差的显著变化，这可作为大 {\alpha} 幅值的微观指示。我们还研究了混合丙酮-水溶剂中丙酮质量分数对 {Fe^{3+}/Fe^{2+}} 的 {\alpha} 的影响。发现高丙酮分数下丙酮分子会插入 {Fe^{2+}} 离子的第一溶剂化壳层，而在 Fe^{3+} 离子的溶剂化壳层中未观察到此现象。{Fe^{2+}} 离子的这种溶剂化壳层结构变化导致了高丙酮分数下 {\alpha} 的增强。我们的发现为如何利用溶剂化壳层有序性开发高热电势电解质提供了原子层面的洞察。
引用
@article{arxiv.2301.09284,
title = {Effect of solvation shell structure on thermopower of liquid redox pairs},
author = {Yuchi Chen and Qiangqiang Huang and Te-Huan Liu and Xin Qian and Ronggui Yang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2301.09284},
year = {2023}
}