КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 21-11-00031
НазваниеРазработка методологии численного моделирования двойного электрического слоя на границе электрод-электролит
Руководитель Будков Юрий Алексеевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики" , г Москва
Конкурс №55 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 01 - Математика, информатика и науки о системах; 01-218 - Математическое моделирование физических явлений
Ключевые слова Теория самосогласованного поля, мультимасштабное моделирование, растворы электролитов, ионные жидкости, двойной электрический слой, электроды, специфическая адсорбция
Код ГРНТИ29.17.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на создание методологии численного моделирования границы раздела электрод-электролит, основанной на комплексном сочетании теории самосогласованного поля, квантово-химических расчетов и молекулярно-динамического моделирования. Данная методология весьма актуальна для современных электрохимических приложений, где практически все значимые электрокаталитические (восстановление кислорода, окисление водорода в топливных элементах) и электродные (зарядка/разрядка аккумуляторов и суперконденсаторов) процессы протекают на границе электрод/жидкофазный электролит. Моделирование данных процессов требует корректного описания структуры двойного электрического слоя. Проведение компьютерного моделирования (молекулярная динамика, Монте-Карло, квантовая химия) границы раздела электрод-электролит, несмотря на достигнутые успехи суперкомпьютерных вычислений, до сих пор является весьма вычислительно трудоемкой задачей. Особенные трудности связаны с получением надежных зависимостей дифференциальной электрической емкости от потенциала электрода, которые представляют наибольшую прикладную ценность. Альтернативой компьютерному моделированию является теория самосогласованного поля (ТСП), основанная на решении модифицированного уравнения Пуассона-Больцмана для потенциала электростатического поля в двойном электрическом слое. Этот подход, в на-стоящее время, зарекомендовал себя как эффективное средство для качественного исследования двойного электрического слоя на границах раздела электрод-электролит. Более того, к настоящему моменту в мировой литературе наметилась тенденция к модификации ТСП с точки зрения учета химической специфики ионов, молекул растворителя и электрода. Тем не менее, до сих пор не существует последовательной ТСП, учитывающей одновременно все принципиальные эффекты, необходимые для количественного описания границы раздела электрод-электролит, а ее создание является весьма актуальной задачей. Впервые в рамках реализуемого проекта будет предложен вариант такой ТСП, позволяющей аппроксимировать накопленные в литературе экспериментальные данные по дифференциальной электрической емкости и предсказывать поведение локальных концентраций ионов и молекул растворителя вблизи заряженного электрода. Последние позволят осуществлять прогноз по протеканию электрохимических реакций на поверхности электрода. Кроме того, полученные модели позволят быстро и с высокой точностью предсказывать поведение дифференциальной электрической емкости для реальных систем, не прибегая к дорогостоящим экспериментам и длительному компьютерному моделированию. В рамках реализации проекта будут решены следующие задачи, имеющие первостепенную важность для электрохимических приложений:
- учет химической специфики ионов (ионные радиусы, сольватация, поляризуемость, специфические взаи-модействия) и молекул растворителя (эффективный диаметр, дипольный момент, поляризуемость, и т.д.);
- количественное описание эффектов диэлектрической неоднородности растворителя в растворах электролитов вблизи заряженного электрода, а также явный учет молекул растворителя;
- моделирование адсорбционного (штерновского) слоя ионов и молекул растворителя на поверхности заряженного электрода;
- оценка параметров специфических взаимодействий ионов и энергий адсорбции на электрод с помощью методов квантовой теории функционала плотности;
- моделирование растворов электролитов и ионных жидкостей в условиях ограниченной геометрии заря-женных нанопор;
- разработка программного пакета для моделирования границы раздела электрод-электролит для количе-ственной оценки дифференциальной электрической емкости с точностью, близкой к экспериментальной.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Будков Ю.А., Заварзин С.В., Колесников А.Л.
Theory of ionic liquids with polarizable ions on a charged electrode
The Journal of Physical Chemistry C, 125, 38, 21151-21159 (год публикации - 2021)
10.1021/acs.jpcc.1c05548
2.
Будков Ю.А., Викторов А.И.
Simple analytical theory for micelles with widespread radial distribution of charged heads
Journal of Molecular Liquids, 341, 117438 (год публикации - 2021)
10.1016/j.molliq.2021.117438
3. Будков Ю.А., Каликин Н.Н., Колесников А.Л. Electrochemistry meets polymer physics: polymerized ionic liquids on an electrified electrode Physical Chemistry Chemical Physics (год публикации - 2021)
Публикации
1.
Будков Ю.А., Колесников А.Л.
Modified Poisson–Boltzmann equations and macroscopic forces in inhomogeneous ionic fluids
Journal of Statistical Mechanics: Theory and Experiment, том 2022. Статья 053205 (год публикации - 2022)
10.1088/1742-5468/ac6a5b
2.
Будков Ю.А., Колесников А.Л.
Electric double layer theory for room temperature ionic liquids on charged electrodes: Milestones and prospects
Current Opinion in Electrochemistry, Том 33 Статья 100931 (год публикации - 2022)
10.1016/j.coelec.2021.100931
3.
Н.Н. Каликин, А.Л. Колесников, Ю.А. Будков
Polymerized ionic liquids on charged electrodes: New prospects for electrochemistry
Current Opinion in Electrochemistry, Том 36 Статья 101134 (год публикации - 2022)
10.1016/j.coelec.2022.101134
4.
Колесников А.Л., Мазур Д.А., Будков Ю.А.
Electrosorption-induced deformation of a porous electrode with non-convex pore geometry in electrolyte solutions: A theoretical study
Europhysics Letters, Номер 1, Том 140, статья 16001 (год публикации - 2022)
10.1209/0295-5075/ac9252
5.
Гурина Д.Л., Одинцова Е.Г., Колесников А.Л., Киселев М.Г., Будков Ю.А.
Disjoining pressure of room temperature ionic liquid in charged slit carbon nanopore: Molecular dynamics study
Journal of Molecular Liquids, Том 366 Статья 120307 (год публикации - 2022)
10.1016/j.molliq.2022.120307
6.
Доронин С.В., Назаров М.А.
Superconcentrated Electrolytes for Aqueous Batteries Based on Alkali Metal Formates and Propionates
Journal of Physical Chemistry C, Том 126 Номер 34 стр. 14611–14625 (год публикации - 2022)
10.1021/acs.jpcc.2c02501
Публикации
1.
Будков Ю.А., Каликин Н.Н.
Macroscopic forces in inhomogeneous polyelectrolyte solutions
Physical Review E, № 2, V. 107, 024503 (год публикации - 2023)
10.1103/PhysRevE.107.024503
2.
Васильева В.А., Мазур Д.А., Будков Ю.А.
Theory of electrolyte solutions in a slit charged pore: Effects of structural interactions and specific adsorption of ions
The Journal of Chemical Physics, № 2, V. 159, 024709 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0158247
3.
Гурина Д.Л., Одинцова Е.Г., Крестьянинов М.А., Будков Ю.А.
Transport properties of imidazolium-based room temperature ionic liquids in confinement of slit charged carbon nanopores: New insights from molecular simulations
Journal of Molecular Liquids, V. 390, Part A, 15, 122961 (год публикации - 2023)
10.1016/j.molliq.2023.122961
4.
Брандышев П.Е.,Будков Ю.А.
Noether’s second theorem and covariant field theory of mechanical stresses in inhomogeneous ionic liquids
The Journal of Chemical Physics, 158, 174114 (год публикации - 2023)
10.1063/5.0148466