Mesoscopic simulations of the in situ NMR spectra of porous carbon based supercapacitors: electronic structure and adsorbent reorganisation effects

Autor: Anouar Belhboub, Clare P. Grey, John M. Griffin, Anagha Sasikumar, Alexander C. Forse, Céline Merlet, Patrice Simon, Camille Bacon
Přispěvatelé: Centre National de la Recherche Scientifique - CNRS (FRANCE), Collège de France (FRANCE), Ecole Centrale Casablanca (MAROCCO), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - ENSCP (FRANCE), Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier - ENSCM (FRANCE), Institut National Polytechnique de Toulouse - Toulouse INP (FRANCE), Institut polytechnique de Grenoble (FRANCE), Université Paris Sciences & Lettres - PSL (FRANCE), Sorbonne Université (FRANCE), University of Cambridge (UNITED KINGDOM), Université Toulouse III - Paul Sabatier - UT3 (FRANCE), Université de Nantes (FRANCE), Université de Picardie Jules Verne (FRANCE), Lancaster University (UNITED KINGDOM), Université de Pau et des Pays de l'Adour - UPPA (FRANCE), Université de Grenoble (FRANCE), Université de Haute Alsace - UHA (FRANCE), Université de Montpellier (FRANCE), Centre interuniversitaire de recherche et d'ingenierie des matériaux (CIRIMAT), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut de Chimie du CNRS (INC), Réseau sur le stockage électrochimique de l'énergie (RS2E), Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Université de Nantes (UN)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM), Ecole Centrale Casablanca, PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX (PHENIX), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), University of Cambridge [UK] (CAM), Lancaster University, Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT), Université de Nantes (UN)-Aix Marseille Université (AMU)-Université de Haute-Alsace (UHA) Mulhouse - Colmar (Université de Haute-Alsace (UHA))-Collège de France (CdF (institution))-Université de Picardie Jules Verne (UPJV)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Montpellier (ENSCM)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université de Pau et des Pays de l'Adour (UPPA)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Université de Montpellier (UM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National Polytechnique (Toulouse) (Toulouse INP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Jazyk: angličtina
Předmět:
Zdroj: Physical Chemistry Chemical Physics
Physical Chemistry Chemical Physics, Royal Society of Chemistry, 2021, ⟨10.1039/D1CP02130C⟩
Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, ⟨10.1039/D1CP02130C⟩
ISSN: 1463-9084
1463-9076
DOI: 10.1039/d1cp02130c
Popis: International audience; In situ NMR spectroscopy is a powerful technique to investigate charge storage mechanisms in carbon-based supercapacitors thanks to its ability to distinguish ionic and molecular species adsorbed in the porous electrodes from those in the bulk electrolyte. The NMR peak corresponding to the adsorbed species shows a clear change of chemical shift as the applied potential difference is varied. This variation in chemical shift is thought to originate from a combination of ion reorganisation in the pores and changes in ring current shifts due to the changes of electronic density in the carbon. While previous Density Functional Theory calculations suggested that the electronic density has a large effect, the relative contributions of these two effects is challenging to untangle. Here, we use mesoscopic simulations to simulate NMR spectra and investigate the relative importance of ion reorganisation and ring currents on the resulting chemical shift. The model is able to predict chemical shifts in good agreement with NMR experiments and indicates that the ring currents are the dominant contribution. A thorough analysis of a specific electrode/electrolyte combination for which detailed NMR experiments have been reported allows us to confirm that local ion reorganisation has a very limited effect but the relative quantities of ions in pores of different sizes, which can change upon charging/discharging, can lead to a significant effect. Our findings suggest that in situ NMR spectra of supercapacitors may provide insights into the electronic structure of carbon materials in the future.
Databáze: OpenAIRE
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