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第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 离子液体概述 2
1.2.1 离子液体的定义 2
1.2.2 离子液体的组成 2
1.2.3 离子液体的物化性质 4
1.2.4 离子液体的分类 4
1.2.5 离子液体的发展 6
1.2.6 离子液体的应用 7
1.2.7 离子液体电极界面 8
1.3 界面双电层理论的研究概况 10
1.3.1 Helmholtz双电层理论 11
1.3.2 Gouy-Chapman理论 12
1.3.3 Gouy-Chapman-Stern理论 12
1.3.4 Kornyshev平均场理论 13
1.4 离子液体 /电极界面双电层的研究进展 15
1.4.1 离子液体 /电极界面双电层的研究现状 16
1.4.2 离子液体 /电极界面双电层的实验研究进展 19
1.4.3 离子液体 /电极界面双电层的分子动力学模拟研究进展 25
1.5 研究目的、内容和创新点 29
1.5.1 研究目的和内容 29
1.5.2 创新点 30
第二章 理论计算方法 32
2.1 引言 32
2.2 分子动力学模拟原理及模拟流程 32
2.2.1 分子动力学模拟的基本原理 33
2.2.2 运动方程的求解方法 34
2.2.3 元胞和周期性边界条件 37
2.2.4 分子力场 37
2.2.5 分子动力学模拟的基本流程 39
2.3 模拟细节 40
2.3.1 力场和原子类型 40
2.3.2 双电层电势施加方法 42
2.3.3 建模方法 42
2.3.4 物理量计算方法 44
第三章 咪唑离子液体在不同金表面的结构与性质 47
3.1 引言 47
3.2 计算方法 48
3.3 结果与讨论 49
3.3.1 [Emim]TFSI与不同金表面的相互作用能 49
3.3.2 [Emim]TFSI在不同金表面的微观双电层结构 51
3.3.3 [Emim]TFSI在不同金表面上的电化学性质 60
3.4 本章小结 62
第四章 阳离子不同取代位点数对咪唑离子液体 /金电极界面结构与性质的影响 63
4.1 引言 63
4.2 计算方法 64
4.3 结果与讨论 65
4.3.1 不同取代位点数的咪唑阳离子的结构特征 65
4.3.2 不同取代位点数的咪唑阳离子体系中各粒子与金电极的相互作用能 68
4.3.3 不同取代位点数的咪唑阳离子体系 /金电极界面双电层结构 70
4.3.4 不同取代位点数的咪唑阳离子 /金电极体系的电化学性质 87
4.4 本章小结 91
第五章 阳离子侧链长度不同对咪唑离子液体 /金电极界面结构与性质的影响 92
5.1 引言 92
5.2 计算方法 93
5.3 结果与讨论 94
5.3.1 侧链长度不同的咪唑阳离子的结构特征 94
5.3.2 链长增加对咪唑离子液体中各粒子与金电极的相互作用能 95
5.3.3 侧链长度不同的咪唑阳离子 /金电极界面双电层结构 98
5.3.4 侧链长度不同的咪唑阳离子 /金电极体系的电化学性质 116
5.4 本章小结 119
第六章 阴离子对咪唑离子液体 /金电极界面结构与性质的影响 120
6.1 引言 120
6.2 计算方法 121
6.3 结果与讨论 122
6.3.1 不同阴离子的结构特征 122
6.3.2 不同阴离子体系中各粒子与金电极的相互作用能 123
6.3.3 不同阴离子体系在金电极界面的微观双电层结构 125
6.3.4 不同阴离子 /金电极体系的电化学性质 144
6.4 本章小结 146
第七章 结论与展望 148
7.1 结论 148
7.2 展望 149
参考文献 151
附录 A 离子液体的缩写和中文名称 169
附录 B 力场参数 171
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| 內容試閱：
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离子液体作为一种性能优异、功能可设计型绿色电解质，已广泛应用于能源器件和电化学系统。离子液体 /电极界面是这些体系中电化学反应发生的场所，其结构和性质对界面化学反应有重要影响。不同的阴离子和阳离子可以组合形成多达 10 18种离子液体，阴阳离子变化势必改变界面的双电层结构，从而影响体系的电化学反应。因而系统揭示阴、阳离子对离子液体 /电极界面双电层结构及其对电化学过程的影响意义重大。本书采用分子动力学模拟与量子化学计算相结合的方法，以电化学性质稳定且常用的咪唑类离子液体与金电极构成的体系为研究对象，从原子（分子）尺度系统揭示阳离子环上取代位点数增加、烷基链增长以及阴离子类型不同对咪唑离子液体 /金电极界面双电层结构和体系电化学性质的影响，为离子液体在电化学领域的应用提供理论依据和指导。
采用量子化学和分子动力学模拟的方法研究了 1-乙基 -3-甲基咪唑双 (三氟甲基磺酰 )亚胺盐 ([Emim]TFSI)与三个不同低指数晶面(Au(100)、Au(110)和 Au(111))形成的离子液体 /金电极体系界面双电层的结构和性质。研究显示，不施加电场时，电极表面的表面能越高，阴、阳离子与其相互作用能越低。三种金电极表面中 [Emim] +与电极表面的相互作用均比 TFSI -与电极表面的相互作用略大，这时 [Emim] +和 TFSI -在电极表面均呈现蠕虫状图案。施加电场时，表面能越高的电极表面，阳离子与其相互作用能越高，但阴离子与电极表面的相互作用能还与阳离子取向有关。无论施加电场与否，阳离子在 Au(110)上均呈平行分布，在 Au(100) 和 Au(111)上均呈倾斜分布。阴阳离子与带电电极相互作用越强，阴阳离子在电极表面的聚集更紧密、双电层越薄、微分电容增大。
应用量子化学计算和分子动力学模拟的方法考察了不同取代位点数的咪唑离子液体 (甲基咪唑双 (三氟甲基磺酰) 亚胺盐([Mim]TFSI)、[Emim]TFSI和 1-乙基 -2，3-二甲基咪唑双 (三氟甲基磺酰 )亚胺盐 ([Emmim]TFSI))/Au(100)界面的结构和性质。结果显示，阳离子取代位点数增加，咪唑环上电荷密度增加，阳离子与电极相互作用增强，相互作用能增加。不施加电场时，离子在 Au(100)上基本倾斜分布而呈现蠕虫状图案，但当一种离子与 Au(100)的相互作用是另一种离子的大约 2倍及以上时，该离子在 Au(100)上平行分布呈直线形图案。[Mim]TFSI体系中 ETFSI-/ Au(100) ≈ 2E[Mim]+/Au(100)，因而其阴离子呈线形图案。[Emmim]TFSI体系中 E[Emmim]+/Au(100) ≈ 2ETFSI-/Au(100)，故阳离子在 Au(100)上平行分布呈现线性图案，同时阳离子与 Au(100)的强相互作用导致 TFSI -构象由反式转变为顺式，使其有序性增加而呈线形图案。施加电场时，阴离子、阳离子与电极的相互作用及取向变化趋势与未施加电场时大致相同，但受电场影响， [Emmim]+由平行取向变为稍微倾斜。由于 [Emmim]TFSI体系中的阴离子、阳离子与电极的相互作用强于其余体系，阴阳离子排列紧密，Au(100)表面的双电层较薄，电化学性能较好。
将量子化学和分子动力学模拟的方法用来揭示了阳离子侧链长度不同的咪唑离子液体([Emim]TFSI、1-丁基 -3-甲基咪唑双 (三氟甲基磺酰 )亚胺盐 ([Bmim]TFSI)和 1-己基 -3-甲基咪唑双 (三氟甲基磺酰 )亚胺盐 ([Hmim]TFSI))/Au(100)界面的微观结构特性和性质差异。研究发现，阳离子侧链增长，咪唑环上电荷密度增加，阳离子与电极相互作用增强，相互作用能增加。不施加电场时，[Bmim]TFSI和 [Hmim]TFSI体系中阳离子与 Au(100)的相互作用能均约为其阴离子与电极的 2倍，故阳离子 [Bmim] +和 [Hmim] +均呈现线形图案，而其他离子呈蠕虫状图案。施加电场时，阴阳离子与电极相互作用随阳离子侧链增长而降低，阳离子呈倾斜取向，表面上阴阳离子排列稀疏，Au(100)表面的双电层厚度增加，电化学性能下降。
采用量子化学和分子动力学模拟的方法研究了不同结构阴离子构成的离子液体 (1-丁基 -3-甲基咪唑四氟硼酸盐 ([Bmim]BF 4)、1-丁基 -3-甲基咪唑六氟磷酸盐 ([Bmim]PF 6)和 [Bmim]TFSI)/Au(100)体系的界面结构和性质。结果显示，无论是否施加电场，四面体（楔形）四氟硼酸阴离子（BF 4 -）底部三个氟原子和八面体（球形）六氟磷酸阴离子（PF 6 -）底部氟原子均面向 Au(100)电极，双三氟甲基阴离子（TFSI -）直立在电极表面，其中一个三氟甲基（CF 3）朝向电极，另一个 CF 3朝向体相。不施加电场时，阴离子中心元素电负性越大，阳离子与电极相互作用越弱，阴离子与电极相互作用越强。由于所研究体系的阳离子与 Au(100)相互作用都是阴离子的相互作用的 2倍以上，因此阳离子呈线形图案，而阴离子呈蠕虫状图案。施加电场时，阴离子中心元素电负性越大，阴离子、阳离子 -与电极相互作用均降低。[Bmim]BF4体系中 [Bmim] +与 BF 4的体积比较大，其在 Au(100)电极表面形成的双电层最薄；[Bmim]TFSI体系中 [Bmim] +与 TFSI -的体积比较小，其在 Au(100)电极表面形成的双电层最厚。因此，阳离子、阴离子体积比较大的体系电化学性能更优。
由于时间仓促和水平所限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。
著者
2025年 7月
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