Molecular description of electrolyte solution in a carbon aerogel electrode

Abstract

We develop a molecular theory of aqueous electrolyte solution sorbed in a nanoporous carbon aerogel electrode, based on the replica reference interaction site model (replica RISM) for realistic molecular quenched-annealed systems. We also briefly review applications of carbon aerogels for supercapacitor and electrochemical separation devices, as well as theoretical and computer modelling of disordered porous materials. The replica RISM integral equation theory yields the microscopic properties of the electrochemical double layer formed at the surface of carbon aerogel nanopores, with due account of chemical specificities of both sorbed electrolyte and carbon aerogel material. The theory allows for spatial disorder of aerogel pores in the range from micro- to macroscopic size scale. We considered ambient aqueous solution of 1 M sodium chloride sorbed in two model nanoporous carbon aerogels with carbon nanoparticles either arranged into branched chains or randomly distributed. The long-range correlations of the carbon aerogel nanostructure substantially affect the properties of the electrochemical double layer formed by the solution sorbed in nanopores.

Ми розвинули молекулярну теорію водного розчину електроліту, сорбованого у нанопористому електроді з вуглецевого аерогелю, використовуючи атом-атомний підхід у формалізмі репліки для реалістичних моделей молекулярних частково заморожених систем. Дається короткий огляд застосувань вуглецевих аерогелей для суперємнісних конденсаторів та електрохімічних очисних пристроїв, а також теоретичного і комп’ютерного моделювання невпорядкованих пористих матеріалів. Атом-атомний підхід у формалізмі репліки описує мікроскопічні властивості електрохімічного подвійного шару, що формується на поверхні нанопор вуглецевого аерогелю, з врахуванням хімічних особливостей як сорбованого електроліту, так і вуг- лецевого аерогельного матеріалу. Теорія дозволяє описувати просторовий безлад аерогелю з порами від мікро- до макроскопічного розміру. Ми розглянули водний розчин хлориду натрію з концентрацією 1 M у нанопористому вуглецевому аерогелі, який змодельовано у двох варіантах як мережу вуглецевих наночастинок, що або формують гіллясті ланцюги, або розподілені випадково. Далекосяжні кореляційні наноструктури вуглецевого аерогелю суттєво впливають на властивості електрохімічного подвійного шару, що утворюється розчином, сорбованим у нанопорах.