带电化石墨烯上三价离子的过充电
软凝聚态物质
2022-02-09 v2
摘要
在水环境中石墨烯附近形成的电双层 (EDL) 结构强烈影响其包括电容去离子在内的众多应用性能。特别地，多价反离子在石墨烯界面附近的吸附与有序化可促进 EDL 的非经典行为，包括过充电及随之而来的同离子吸附。在本文中，我们使用原位高分辨率 X 射线反射（亦称晶体截断杆 (CTR)）与共振异常 X 射线反射 (RAXR) 表征了稀水溶液 YCl_3 中带电化石墨烯界面附近形成的 EDL。这些界面特异性技术以分子尺度分辨率揭示了电子密度分布。我们发现钇离子 (Y^{3+}) 易吸附至带负电的石墨烯表面，形成延展的离子分布。该离子分布类似经典扩散层，但离子覆盖度极高，即每 11.4 ± 1.6 A² 有 1 个 Y^{3+}，而由循环伏安测得的电容计算值为每约 240 A² 1 个 Y^{3+}。此种过充电可由氯离子的共吸附解释，其有效屏蔽了过剩正电荷。吸附的 Y^{3+} 分布还显示出与顶部石墨烯表面分子尺度的间隙（≥5 A），这归因于吸附剂与吸附物之间存在介入的水分子，以及化学惰性石墨烯上缺乏内球表面络合。我们还通过调节外加电势展示了可控吸附，并揭示了 Y^{3+} 离子相对于表面的位置一致，且阳离子覆盖度随外加电势降低而增加。
引用
@article{arxiv.2111.10516,
title = {Trivalent ion overcharging on electrified graphene},
author = {Amanda J. Carr and Sang Soo Lee and Ahmet Uysal},
journal= {arXiv preprint arXiv:2111.10516},
year = {2022}
}