Dakal a salamat keng pamagbisita keng nature.com. Ing browser version a gagamitan mu atin yang limitadu CSS support. Para keng masanting a karanasan, masanting ing gamitan me ing bayung bersion ning browser (o i-off me ing compatibility mode keng Internet Explorer). Dagdag pa, para makasiguradung patuloy ing suporta, e ya maglaman styles o JavaScript ing site ayni.
Uling keng dakal a sodium resource, deng sodium-ion batteries (NIBs) metung lang promising a alternatibong solusyun para keng electrochemical energy storage. Ngeni, ing peka-sagabal keng panyulung ning teknolohiya ning NIB yapin ing kakulangan da reng materyales a electrode na malyaring mag-reversibling mag-store/mag-release kareng sodium ions keng makabang panaun. Uli na niti, ing buri na niting pamagaral yapin ing mag-imbestiga keng epektu ning pamagdagdag glycerol keng polyvinyl alcohol (PVA) ampo sodium alginate (NaAlg) a timpla bilang NIB electrode materials. Ing pamagaral ayni tutukan ne ing electronic, thermal, ampo quantitative structure-activity relationship (QSAR) descriptors da reng polymer electrolytes base keng PVA, sodium alginate, ampo glycerol blends. Deting katangian miimbestigahan la gamit ing semi-empirical a paralan ampo ing density functional theory (DFT). Uling ing structural analysis pepakit na ing detalye da reng pamiugnayan ning PVA/alginate ampo ing glycerol, ing band gap energy (Eg) ing meimbestiga. Ing resulta papakit na ing pamagdagdag ning glycerol magresulta ya keng pamagbaba ning Eg value keng 0.2814 eV. Ing molecular electrostatic potential surface (MESP) papakit na ing pamikalat da reng electron-rich ampo electron-poor a lugal ampo reng molecular charges keng mabilug a electrolyte system. Deng thermal parameters a me-aral kayabe la reng enthalpy (H), entropy (ΔS), heat capacity (Cp), Gibbs free energy (G) ampo ing heat of formation. Dagdag pa, dakal a quantitative structure-activity relationship (QSAR) descriptors antimo ing total dipole moment (TDM), total energy (E), ionization potential (IP), Log P ampo polarizability ing meimbestiga keng pamagaral ayni. Ing resulta pepakit na ing H, ΔS, Cp, G ampo TDM meragdagan la nung daragul ing temperatura ampo ing glycerol content. Samantala, ing pali ning pamaglalang, IP ampo E mebaba ya, na pepasanting ing reactivity ampo polarizability. Dagdag pa, kapamilatan ning pamagdagdag glycerol, ing cell voltage miras yang 2.488 V. DFT ampo PM6 a kalkulasyun base kareng cost-effective PVA/Na Alg glycerol-based electrolytes papakit da na malyari lang partially palitan deng lithium-ion batteries pauli ning karelang multifunctionality, pero kailangan ing karagdagang pamagbayu ampo pamanyaliksik.
Agyang deng lithium-ion batteries (LIBs) maralas lang gagamitan, ing karelang aplikasyun atin yang dakal a limitasyun pauli ning karelang makuyad a bie, matas a gastus, ampo ing karelang kaligtasan. Deng sodium-ion batteries (SIBs) malyari lang maging masanting a alternatibung LIBs pauli ning karelang malawak a availability, mababang presyu, ampo e la toxicity ning sodium element. Deng sodium-ion batteries (SIBs) maging lang mas importanting sistema ning pamag-imbak enerhiya para kareng electrochemical devices1. Deng sodium-ion a baterya magdependi lang maragul kareng electrolytes para asikasu ing pamagdala kareng ion ampo makagawa lang electrical current2,3. Deng liquid electrolytes keraklan bibilugan de reng metal salts ampo organic solvents. Ing praktikal a aplikasyun mangailangan yang maingat a pamisip king kaligtasan da reng liquid electrolytes, lalu na nung ing baterya mipailalam ya king thermal o electrical stress4.
Deng sodium-ion batteries (SIBs) asahan dang palitan la reng lithium-ion batteries keng malapit a hinaharap pauli ning dakal a reserba keng karagatan, alang toxicity, ampo mababang gastus keng materyales. Ing pamaglalang kareng nanomaterials pepabilis ne ing panyulung da reng data storage, electronic, ampong optical a kasangkapan. Dakal a literatura ing pepakit na ing pamangamit kareng miyayaliwang nanostructures (alimbawa, metal oxides, graphene, nanotubes, ampo fullerenes) kareng sodium-ion a baterya. Ing pamanyaliksik makatutuk ya keng pamaglalang kareng anode materials, kayabe nala reng polymers, para kareng sodium-ion a baterya pauli ning karelang versatility ampo environmental friendly. Ing interes keng pamanyaliksik keng larangan da reng rechargeable polymer batteries alang alinlangan na miragdagan. Deng bayung materyales a polymer electrode a maki makatagulaling a istruktura ampo katangian malyari lang magbukas dalan para kareng teknolohiya ning pamag-imbak enerhiya a e maka-kapaligiran. Agyang miyayaliwang polymer electrode materials ing me-explore para gamitan kareng sodium-ion batteries, ing field ayni atyu ya pa keng mumunang yugtu ning development. Para kareng sodium-ion a baterya, mas dakal a polymer a materyales a maki miyayaliwang structural configuration ing kailangang abalu. Base keng kasalukuyan tamung beluan keng mekanismo ning pamitipun da reng sodium ions keng polymer electrode materials, malyari tamung i-hypothesize na deng carbonyl groups, free radicals, ampo heteroatoms keng conjugated system malyari lang magsilbing aktibung lugal para keng pamakipag-ugnayan kareng sodium ions. Uli na niti, importanti ing gawang bayung polymer a maki matas a densidad da reng aktibung lugal a reni. Ing gel polymer electrolyte (GPE) metung yang alternatibong teknolohiya na magpasanting keng battery reliability, ion conductivity, alang leakage, matas a flexibility, ampo masanting a performance12.
Deng polymer matrices kayabe la reng materyales antimo ing PVA ampo ing polyethylene oxide (PEO)13. Ing gel permeable polymer (GPE) e na gagawan ing liquid electrolyte keng polymer matrix, na babawasan na ing panganib ning leakage kumpara kareng commercial separators14. Ing PVA metung yang synthetic biodegradable polymer. Atin yang matas a permittivity, mura ya at e ya makalasun. Ing materyales kilala ya keng kayang film-forming properties, chemical stability ampo adhesion. Atin ya namang functional (OH) a grupu ampo matas a cross-linking potential density15,16,17. Ing polymer blending, plasticizer addition, composite addition ampo ing in situ polymerization techniques megamit la para asundu ing conductivity da reng PVA-based polymer electrolytes para mabawas ing matrix crystallinity ampo dagdagan ing chain flexibility18,19,20.
Ing pamagblend metung yang importanting paralan para keng pamaglalang kareng polymeric a materyales para kareng industrial a aplikasyun. Deng polymer blends maralas lang gagamitan para: (1) asundu ing pamagprosesu kareng natural a polymer keng industrial a aplikasyun; (2) pasikanan ing chemical, physical, ampo mechanical a katangian da reng biodegradable a materyales; at (3) makibagay keng mabilis a pamagbayu ning pamangailangan para kareng bayung materyales keng industriya ning pamagbalot pamangan. E anti ing copolymerization, ing polymer blending metung yang mababang prosesu na gagamit simpleng pisikal a prosesu kesa keng komplikadung chemical a prosesu para akwa ing buri mung katangian21. Para gawang homopolymers, deng miyayaliwang polymers malyari lang makipag-ugnayan kapamilatan da reng dipole-dipole forces, hydrogen bonds, o charge-transfer complexes22,23. Deng timpla a gawa keng natural ampo synthetic polymers malyari lang isamut ing masanting a biocompatibility ampo masanting a mechanical properties, gagawang masanting a materyales keng mababang gastus keng pamaglalang24,25. Uli na niti, maragul ing interes keng pamaglalang biorelevant polymeric materials kapamilatan ning pamagtimpla kareng synthetic ampo natural a polymers. Ing PVA malyari yang isamut keng sodium alginate (NaAlg), cellulose, chitosan ampo starch26.
Ing sodium alginate metung yang natural a polymer ampo anionic polysaccharide a ibat keng marine brown algae. Ing sodium alginate bibilugan ne ning β-(1-4)-linked D-mannuronic acid (M) ampo α-(1-4)-linked L-guluronic acid (G) a maka-organisa kareng homopolymeric forms (poly-M ampo poly-G) ampo heteropolymeric blocks (MG o GM)27. Ing laman ampo ing relatibung ratio da reng M ampo G blocks atin lang maragul a epektu keng chemical ampo physical a katangian ning alginate28,29. Ing sodium alginate maralas yang magagamit ampo magaral pauli ning kayang biodegradability, biocompatibility, mababang presyu, masanting a film-forming properties, ampo non-toxicity. Makanyan man, ing maragul a bilang da reng free hydroxyl (OH) ampo carboxylate (COO) a grupu keng alginate chain gagawan neng matas a hydrophilic ing alginate. Makanyan man, ing alginate atin yang e masanting a mekanikal a katangian pauli ning kayang panga-brittle ampong panga-rigid. Uli na niti, ing alginate malyari yang isamut kareng aliwang sintetikung materyales para mas maging sensitivity ing danum ampo ing mechanical properties30,31.
Bayu la magdesign bayung electrode materials, deng DFT calculations maralas lang gagamitan para abalu ing fabrication feasibility da reng bayung materyales. Dagdag pa, gagamit lang molecular modeling deng siyentipiku para kumpirman at abalu ing resulta ning eksperimentu, makatipid oras, mabawas ing chemical waste, ampo abalu ing pamiugnayan32. Ing molecular modeling meging yang masikan at importanting sanga ning siyensya kareng dakal a larangan, kayabe na ing siyensya ning materyales, nanomaterials, computational chemistry, ampo ing pamagdiskubri kareng panulu33,34. Gamit ing modeling programs, deng siyentipiku malyari lang direktang makakwa kareng molecular data, kayabe na ing enerhiya (heat of formation, ionization potential, activation energy, atbp.) ampo ing geometry (bond angles, bond lengths, and torsion angles)35. Dagdag pa, deng electronic properties (charge, HOMO ampo LUMO band gap energy, electron affinity), spectral properties (characteristic vibrational modes ampo intensities antimo reng FTIR spectra), ampo bulk properties (volume, diffusion, viscosity, modulus, atbp.)36 malyari lang kalkulan.
Ing LiNiPO4 papakit na ing potensyal a bentahe na keng pamakipagkumpetensya kareng lithium-ion battery positive electrode materials pauli ning matas nang energy density (working voltage a manga 5.1 V). Para lubus yang magamit ing advantage ning LiNiPO4 keng high-voltage region, kailangan yang ibaba ing working voltage uling ing kasalukuyan a gagawang high-voltage electrolyte malyari ya mung manatili keng relatibung matatag keng voltage lalam ning 4.8 V. Zhang et al. siniasat ne ing doping da reng eganaganang 3d, 4d, ampo 5d transition metals keng Ni site ning LiNiPO4, pinili no reng doping patterns a maki masanting a electrochemical performance, ampo inayus ne ing working voltage ning LiNiPO4 kabang panatilyan ing relatibong katatagan ning kayang electrochemical performance. Ing pekababang boltahe a ikua da ilapin deng 4.21, 3.76, ampo 3.5037 para keng Ti, Nb, ampo Ta-doped LiNiPO4, agpang kareti.
Uli na niti, ing buri na niting pamagaral yapin ing mag-imbestiga keng epektu ning glycerol bilang plasticizer kareng electronic properties, QSAR descriptors ampo thermal properties ning PVA/NaAlg system gamit ing quantum mechanical calculations para keng aplikasyun na kareng rechargeable ion-ion batteries. Ing molecular interactions pilatan ning PVA/NaAlg model ampo ing glycerol me-analisa ya gamit ing Bader's quantum atomic theory of molecules (QTAIM).
Ing modelung molecule a magrepresenta keng pamiugnayan ning PVA keng NaAlg ampo keng glycerol me-optimize ya gamit ing DFT. Ing model mekwa ya gamit ing Gaussian 0938 software keng Spectroscopy Department, National Research Center, Cairo, Egypt. Deng model me-optimize la gamit ing DFT keng B3LYP/6-311G(d, p) level39,40,41,42. Para abalu ing pamiugnayan da reng modelung me-aral, deng pamagaral king frequency a megawa king pareung antas ning teorya papakit da ing katatagan ning me-optimize a geometry. Ing alang negatibong frequency kareng eganaganang me evaluate a frequency papakit na ing inferred structure keng tune positibong minima keng potential energy surface. Deng physical parameters antimo ing TDM, HOMO/LUMO band gap energy ampo MESP mekwa la keng pareung quantum mechanical level ning teorya. Dagdag pa, deng mapilan a thermal parameters antimo ing tauling pali ning pamaglalang, malayang enerhiya, entropy, enthalpy ampo ing kapasidad ning pali mekwa la gamit deng formula a binie keng Table 1. Deng modelung me-aral mipailalam la keng quantum theory of atoms in molecules (QTAIM) analysis para akilala la reng pamiugnayan a malilyari keng babo da reng me-aral a istruktura. Deting kalkulasyun megawa la gamit ing “output=wfn” command keng Gaussian 09 software code at kaybat me-visualize la gamit ing Avogadro software code43.
nung nukarin ing E ing kilub a enerhiya, P ing pressure, V ing volume, Q ing heat exchange pilatan ning sistema ampo ing kapaligiran na, T ing temperatura, ΔH ing enthalpy change, ΔG ing free energy change, ΔS ing entropy change, a ampo b ing vibrational parameters, q ing atomic charge, at C ing atomic electronity, 45 Katataulian, ding pareung istruktura me-optimize la at ding QSAR parameters mekwa la king PM6 level gamit ing SCIGRESS software code46 king Spectroscopy Department ning National Research Center king Cairo, Egypt.
keng kekaming minunang obra47, sinuri mi ing peka-probling model a maglarawan keng pamiugnayan da reng atlung PVA units kareng adwang NaAlg units, nung nukarin ing glycerol gagawang plasticizer. Antimo ing sinabi ku na, atin yang adwang posibilidad ing pamiugnayan da reng PVA ampo ing NaAlg. Deng adwang modelu, a mipakilalang 3PVA-2Na Alg (base keng carbon number 10) ampo ing Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg, atin lang pekamalating energy gap value48 kumpara kareng aliwang istrukturang mekonsidera. Uli na niti, ing epektu ning Gly addition keng peka-probling model ning PVA/Na Alg blend polymer me-imbestiga ya gamit ing tauling adwang istruktura: 3PVA-(C10)2Na Alg (ausan deng 3PVA-2Na Alg para keng simplisidad) ampo ing Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg. Agpang keng literatura, ing PVA, NaAlg ampo ing glycerol malyari lang gawang mahina a hydrogen bonds pilatan da reng hydroxyl functional groups. Uling ing PVA trimer ampo ing NaAlg ampo ing glycerol dimer atin lang mapilan a OH groups, ing contact malyari yang abalu kapamilatan ning metung kareng OH groups. Ing Figure 1 papakit ne ing pamiugnayan ning modelung glycerol molecule ampo ing modelung molecule 3PVA-2Na Alg, at ing Figure 2 papakit ne ing megawa nang model ning pamiugnayan ning modelung molecule Term 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg ampo reng miyayaliwang konsentrasyun ning glycerol.
Optimized structures: (a) Gly ampo 3PVA − 2Na Alg makipag-ugnayan la kareng (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, ampo (f) 5 Gly.
Optimized structures ning Term 1Na Alg- 3PVA –Mid 1Na Alg makipag-ugnayan kareng (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, ampo (f) 6 Gly.
Ing electron band gap energy metung yang importanting parameter a dapat ikonsidera nung magaral kang reactivity ning nanu mang electrode material. Uling lalarawan na ing pamibiebie da reng electron nung ing materyal mipailalam ya kareng pamagbayu king kilwal. Uli na niti, kailangan yang estimate ing electron band gap energies ning HOMO/LUMO para kareng eganaganang istrukturang me-aral. Ing Table 2 papakit na ing pamagbayu keng HOMO/LUMO energies ning 3PVA-(C10)2Na Alg ampo ing Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg pauli ning pamagdagdag ning glycerol. Agpang keng ref47, ing Eg value ning 3PVA-(C10)2Na Alg 0.2908 eV ya, kabang ing Eg value ning istruktura a magpasyag keng probability ning kaduang interaction (ie, Term 1Na Alg − 3PVA- Mid 1Na Alg) 0.5706 eV ya.
Makanyan man, ikit da na ing pamagdagdag ning glycerol meging sangkan ning ditak a pamagbayu keng Eg value ning 3PVA-(C10)2Na Alg. Nung ing 3PVA-(C10)2NaAlg makipag-ugnayan ya kareng 1, 2, 3, 4 ampo 5 glycerol units, ing kayang Eg values ​​meging yang 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 ampo 0.281 eV, agpang kareti. Makanyan man, atin yang maulaga a panaun na kaybat nang dininan 3 glycerol units, ing Eg value meging mas malati ya kesa keng 3PVA-(C10)2Na Alg. Ing modelung magrepresenta keng pamiugnayan ning 3PVA-(C10)2Na Alg kareng limang glycerol units ya ing peka-malamang a modelung pamiugnayan. Ing buri nang sabyan niti, kabang daragul ing bilang da reng glycerol units, daragul ya naman ing probability ning pamiugnayan.
Samantala, para keng kaduang probability ning pamiugnayan, ing HOMO/LUMO energies da reng modelung molecule a magrepresenta keng Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 1Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 2Gly, Term 1Na Alg − 3PVA – PVA – 3PVA-Na Algly, Term 13 Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 4Gly, Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 5Gly ampo ing Term 1Na Alg − 3PVA –Mid 1Na Alg- 6Gly maging lang 1.343, 1.34 7, 0.976, 0.607, 0.64, at 6.48. balang metung. Ing Table 2 papakit na ing mekwa nang HOMO/LUMO band gap energies para kareng eganaganang istruktura. Dagdag pa, ing pareung ugali da reng probability ning pamiugnayan ning mumunang grupu miulit ya keni.
Ing band theory keng solid state physics sasabyan na nung bababa ya ing band gap ning electrode material, daragul ya ing electronic conductivity ning material. Ing doping metung yang karaniwan a paralan para mabawas ing band gap da reng sodium-ion cathode materials. Jiang et al. ginamit yang Cu doping para asundu ing electronic conductivity da reng β-NaMnO2 layered a materyales. Gamit ing DFT a kalkulasyun, ikit da na ing doping pepababa ne ing band gap ning materyales manibat 0.7 eV angga 0.3 eV. Iti papakit na ing Cu doping papasanting ne ing electronic conductivity ning β-NaMnO2 a materyal.
Ing MESP metung yang interaction energy pilatan ning molecular charge distribution ampo ing metung a positive charge. Ing MESP metung yang epektibung kasangkapan para aintindian ampo aintindian ing chemical properties ampo reactivity. Ing MESP malyari yang gamitan para aintindian ing mekanismo ning pamiugnayan da reng polymeric a materyales. Ing MESP lalarawan na ing pamikalat ning charge kilub ning compound a pag-aralan. Dagdag pa, ing MESP mamye yang impormasyun tungkul kareng aktibung lugal kareng materyales a pag-aralan32. Ing Figure 3 papakit na ing MESP plots ning 3PVA-(C10) 2Na Alg, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10) 2Na Alg − 2Gly, at Algly 3PVA-(C10) 2Na Alg − 5Gly mepredict keng B3LYP/6-311G(d, p) level ning teorya.
MESP contours mekwa ya keng B3LYP/6-311 g(d, p) para keng (a) Gly ampo 3PVA − 2Na Alg makipag-ugnayan kareng (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, ampo (f) 5 Gly.
Samantala, ing Fig. 4 papakit na ing mekwa nang resulta ning MESP para keng Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg- 1Gly, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly, Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg- 1Gly, Term 1Na Alg-3PVA – 1Gly Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly, Term 1Na Alg- 3PVA – Mid 1Na Alg- 5gly ampo Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly, respectively. Ing mekwa nang MESP mipalabas ya bilang metung a contour behavior. Deng contour lines makarepresenta la kareng miyayaliwang kule. Balang kule mangabaldugan yang miyayaliwang ulaga ning electronegativity. Ing kule maputi papakit na ing matas a electronegative o reactive a lugal. Samantala, ing kule dilaw mangabaldugan yang neutral a lugal 49, 50, 51 keng istruktura. Ing resulta ning MESP pepakit na ing reactivity ning 3PVA-(C10)2Na Alg meragdagan ya keng pamagtas ning kule pula keng paligid da reng modelung me-aral. Samantala, ing red color intensity keng MESP map ning Term 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg model molecule mabawas ya pauli ning pamiugnayan da reng miyayaliwang glycerol content. Ing pamagbayu keng kule pula keng paligid ning mumutus a istruktura papakit na ing reactivity, kabang ing pamagtas ning intensity kukumpirma na ing pamagtas ning electronegativity ning 3PVA-(C10)2Na Alg model molecule pauli ning pamagtas ning glycerol content.
B3LYP/6-311 g(d, p) calculated MESP Term of 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg interacting with (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, and (f) 6 Gly.
Deng eganaganang mipanukalang istruktura atin lang thermal parameters antimo ing enthalpy, entropy, heat capacity, free energy ampo heat of formation a makalkula kareng miyayaliwang temperatura keng range manibat 200 K anggang 500 K. Para ilarawan ing pamibiebie da reng physical a sistema, bukud keng pamagaral keng karelang electronic behavior, kailangan mu namang pagaralan ing karelang thermal behavior bilang metung a function ning karelang temperatura, a malyaring maging interaction king balang metung mekwa ya gamit ing equation a binie keng Table 1. Ing pamagaral kareng thermal parameters metung yang importanting indicator ning responsiveness ampo stability da reng physical systems kareng miyayaliwang temperatura.
Para keng enthalpy ning PVA trimer, mumuna yang magreact keng NaAlg dimer, kaybat kapamilatan ning OH group a makadikit keng carbon atom #10, at katataulian keng glycerol. Ing enthalpy metung yang sukad ning enerhiya keng thermodynamic system. Ing enthalpy katumbas ne ning kabilugan a pali keng metung a sistema, na katumbas ne ning internal energy ning sistema kayabe ing produktu ning kayang dagul ampo pressure. keng aliwang salita, ing enthalpy papakit na nung makananu karakal ing pali ampo obra ing miragdagan o milako keng metung a sangkap52.
Ing Figure 5 papakit na ing pamagbayu ning enthalpy keng reaksyun ning 3PVA-(C10)2Na Alg a maki miyayaliwang konsentrasyun ning glycerol. Deng abbreviation A0, A1, A2, A3, A4, ampo A5 ila reng modelung molecule 3PVA-(C10)2Na Alg, 3PVA-(C10)2Na Alg − 1 Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 4Gly, ampo 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly, balang metung. Ing Figure 5a papakit na ing enthalpy daragul ya nung daragul ya ing temperatura ampo ing glycerol content. Ing enthalpy ning istruktura a magrepresenta keng 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (ie, A5) keng 200 K 27.966 cal/mol ya, kabang ing enthalpy ning istruktura a magrepresenta keng 3PVA- 2NaAlg keng 200 K 13.490 cal/mol ya. katataulian, uling ing enthalpy positibo ya, ing reaksyun ayni endothermic ya.
Ing entropy metung yang sukad ning e magagamit a enerhiya keng metung a makasaradung sistemang thermodynamic at maralas tuturing deng sukad ning pangasira ning sistema. Ing Figure 5b papakit na ing pamagbayu ning entropy ning 3PVA-(C10)2NaAlg keng temperatura ampo nung makananu ya makipag-ugnayan kareng miyayaliwang glycerol units. Ing graph papakit na ing entropy magbayu yang linear kabang ing temperatura daragul ya manibat 200 K angga 500 K. Ing Figure 5b malino papakit na ing entropy ning 3PVA-(C10)2Na Alg model miraras yang 200 cal/K/mol keng 200 K uling ing 3PVA-(C10)2Na Alg model magpakit yang disorder disorder. kabang daragul ya ing temperatura, ing 3PVA-(C10)2Na Alg model maging yang disordered at magpaliwanag ya keng pamagtas ning entropy keng daragul a temperatura. Dagdag pa, malino na ing istruktura ning 3PVA-C10 2Na Alg- 5 Gly atin yang pekamatas a entropy value.
Ing parehung ugali mayayakit ya keng Figure 5c, na papakit ing pamagbayu ning heat capacity keng temperatura. Ing kapasidad ning pali yapin ing dagul ning pali a kailangan para mibayu ing temperatura ning metung a dagul ning sangkap keng 1 °C47. Ing Figure 5c papakit na ing pamagbayu keng heat capacity ning model molecule 3PVA-(C10)2NaAlg pauli ning pamiugnayan da reng 1, 2, 3, 4, ampo 5 glycerol units. Ing figure papakit na ing heat capacity ning model 3PVA-(C10)2NaAlg daragul yang linearly keng temperatura. Ing meyakit a pamagtas ning heat capacity keng pamagtas ning temperatura makayagpang ya keng phonon thermal vibrations. Dagdag pa, atin yang ebidensya na ing pamagtas ning glycerol content magdalang pamagtas ning heat capacity ning modelung 3PVA-(C10)2NaAlg. Dagdag pa, ing istruktura papakit na ing 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly atin yang pekamatas a heat capacity value kumpara kareng aliwang istruktura.
Deng aliwang parameters antimo ing malayang enerhiya ampo ing tauling pali ning pamaglalang mekwa la para kareng me-aral a istruktura at mayayakit la keng Figure 5d ampo e, agpang kareti. Ing tauling pali ning pamaglalang yapin ing pali a lulual o sisipsip kabang gagawan ne ing metung a purung sangkap ibat kareng sangkap nang sangkap lalam ning alang patugut a presyur. Ing malayang enerhiya malyari yang ituru bilang metung a pibandyan a kalupa ning enerhiya, buri nang sabyan, ing ulaga na makayagpang ya king dagul ning sangkap king balang thermodynamic state. Ing malayang enerhiya ampo ing pali ning pamaglalang ning 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly ila reng pekamababa at ila reng -1318.338 ampo -1628.154 kcal/mol, agpang kareti. Ing pamiyaliwa, ing istruktura a magrepresenta keng 3PVA-(C10)2NaAlg atin yang pekamatas a free energy ampo heat of formation values ​​a -690.340 ampo -830.673 kcal/mol, kumpara kareng aliwang istruktura. Antimo ing akakit tamu keng Figure 5, miyayaliwang thermal properties ing mibayu pauli ning pamiugnayan da reng glycerol. Ing Gibbs free energy negatibo ya, papakit na ing mumutus a istruktura matatag ya.
Ing PM6 kinalkula ne ing thermal parameters ning purong 3PVA- (C10) 2Na Alg (model A0), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 1 Gly (model A1), 3PVA- (C10) 2Na Alg − 2 Gly (model A2), 3PVA- (C10) 2 Gly (model A2), 3PVA- (C10) Gly 33-3 Gly (C10) 2Na Alg − 4 Gly (model A4), ampo 3PVA- (C10) 2Na Alg − 5 Gly (model A5), nung nukarin (a) ing enthalpy, (b) entropy, (c) kapasidad ning pali, (d) malayang enerhiya, ampo (e) pali ning pamaglalang.
keng aliwang banda, ing kaduang interaction mode pilatan ning PVA trimer ampo ing dimeric NaAlg malilyari ya keng terminal ampo middle OH groups keng PVA trimer structure. Kalupa ning mumunang grupu, ding thermal parameters mekwa la gamit ing pareung antas ning teorya. Ing Figure 6a-e papakit na ing pamiyaliwa ning enthalpy, entropy, kapasidad ning pali, malayang enerhiya ampo, katataulian, pali ning pamaglalang. Deng figure 6a-c papakit da na ing enthalpy, entropy ampo heat capacity ning Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg papakit da ing pareung ugali antimo ing mumunang grupu nung makipag-ugnayan la kareng 1, 2, 3, 4, 5 ampo 6 a glycerol units. Dagdag pa, ing karelang ulaga bagya-bagya yang daragul nung daragul ya ing temperatura. Dagdag pa, keng mipanukalang Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg model, ing enthalpy, entropy ampo ing heat capacity values ​​meragdagan la keng pamagtas ning glycerol content. Deng abbreviation B0, B1, B2, B3, B4, B5 ampo B6 mangabaldugan la kareng makatuking istruktura: Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 1 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid Alg − 1 Nag- Alg- Alg-1 3PVA- Mid 1 Na Alg − 3gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 4 Gly, Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 5 Gly and Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly. Antimo ing akakit tamu keng Fig. 6a-c, malino na ing ulaga ning enthalpy, entropy ampo ing heat capacity daragul ya kabang daragul ya ing bilang da reng glycerol units manibat 1 anggang 6.
Ing PM6 kinalkula ne ing thermal parameters ning purong Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg (model B0), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 1 Gly (model B1), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 2 Gly (model B2 Term B1), Al-PVA 13 Na Alg – 3 Gly (model B3), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 4 Gly (model B4), Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 5 Gly (model B5), ampo Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg – 6 Gly (model B5), kayabe na ing enpy (model B4), entropy, (c) kapasidad ning pali, (d) malayang enerhiya, ampo (e) pali ning pamaglalang.
Dagdag pa, ing istrukturang magrepresenta keng Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg- 6 Gly atin yang pekamatas a ulaga ning enthalpy, entropy ampo heat capacity kumpara kareng aliwang istruktura. Kayabe la kareti, ing karelang ulaga meragul ya ibat 16.703 cal/mol, 257.990 cal/mol/K ampo 131.323 kcal/mol keng Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg angga 33.223 cal/mol, 420.038 cal/mol/mol/mol/mol keng Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly, respectively.
Makanyan man, deng Figure 6d ampo e papakit da ing temperatura dependence ning malayang enerhiya ampo ing tauling pali ning pamaglalang (HF). Ing HF malyari yang i-define bilang pamagbayu ning enthalpy a malilyari nung ing metung a mole ning metung a sangkap mebuu ya ibat kareng kayang elementu lalam ning natural ampong standard a kundisyun. Malino keng figure na ing malayang enerhiya ampo ing tauling pali ning pamaglalang da reng eganaganang me-aral a istruktura papakit lang linear a pamagdependi keng temperatura, buri ng sabyan, bagya bagya at linear lang daragul keng daragul a temperatura. Dagdag pa, ing figure mekumpirma ya na ing istruktura a magrepresenta keng Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly atin yang pekababang free energy ampo ing pekababang HF. Parehu lang mibaba deng parameters manibat -758.337 angga -899.741 K cal/mol keng term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg − 6 Gly angga -1,476.591 ampo -1,828.523 K cal/mol. Malino kareng resulta na ing HF bababa ya keng pamagtas da reng glycerol units. Ing buri nang sabyan niti, uling king pamagdakal da reng functional groups, daragul ya ing reactivity at uli na niti mas ditak a enerhiya ing kailangan para gawan ing reaction. Iti kukumpirma na ing plasticized PVA/NaAlg malyari yang gamitan kareng baterya pauli ning matas nang reactivity.
Keraklan, ing epektu ning temperatura makadake ya keng adwang uri: ing epektu ning mababang temperatura ampo ing epektu ning matas a temperatura. Ing epektu ning mababang temperatura keraklan mararamdam ya kareng bangsang atyu kareng matas a latitude, antimo ing Greenland, Canada, ampong Russia. neng dimla, ing temperatura ning angin keng kilwal kareng lugal a reni mas mababa ya keng zero degrees celsius. Ing bie ampo ing performance da reng lithium-ion a baterya malyari yang maapektuan ning mababang temperatura, lalu na deng gagamitan da reng plug-in hybrid electric vehicles, pure electric vehicles, ampo hybrid electric vehicles. Ing pamaglakbe keng kalawakan metung yang marimlang kapaligiran na mangailangan lithium-ion a baterya. Alimbawa, ing temperatura keng Mars malyari yang mibaba anggang -120 degrees Celsius, na magdalang maragul a sagabal keng pamangamit kareng lithium-ion a baterya keng spacecraft. Ing mababang temperatura ning pamagobra malyari yang magdalang pamagbaba keng charge transfer rate ampo ing chemical reaction activity da reng lithium-ion a baterya, a magresulta keng pamagbaba keng diffusion rate da reng lithium ions kilub ning electrode ampo ing ionic conductivity keng electrolyte. Ing degradation ayni magresulta ya keng mabawas a energy capacity ampo power, ampo neng misan mabawas ya pa ing performance53.
Ing matas a temperatura a epektu malilyari ya keng mas malawak a range ning aplikasyun a kapaligiran, kayabe na ing matas ampo mababang temperatura a kapaligiran, kabang ing mababang temperatura a epektu keraklan limitadu ya kareng mababang temperatura a aplikasyun a kapaligiran. Ing mababang temperatura a epektu mumuna yang makabasi keng temperatura ning paligid, kabang ing matas a temperatura a epektu keraklan mas ustu yang makayagpang keng matas a temperatura kilub ning lithium-ion a baterya kabang mag-operate ya.
Deng lithium-ion a baterya maggenerate lang pali keng matas a current a kundisyun (kayabe na ing mabilis a pamagcharge ampo mabilis a pamagdischarge), na maging sangkan ning pamagtas ning temperatura kilub. Ing panga-expose keng matas a temperatura malyari ya namang maging sangkan ning pangasira ning performance ning baterya, kayabe na ing pangawala ning kapasidad ampo sikanan. Keraklan, ing pangawala ning lithium ampo ing pamagbalik da reng aktibung materyales keng matas a temperatura magdalang pangawala ning kapasidad, ampo ing pangawala ning sikanan uli ning pamagtas ning internal a resistensya. nung ing temperatura e ya makontrol, ing thermal runaway malyari ya, na keng mapilan a kasu malyari yang magdalang spontaneous combustion o agyang pamagsabog.
Ing QSAR calculations metung yang computational o mathematical modeling method a gagamitan para abalu ing relasyun ning biological activity ampo ing structural properties da reng compound. Deng eganaganang dinisenyung molecule me-optimize la at ding mapilan a QSAR properties me-calculate la keng PM6 level. Ing Table 3 makalista yang mapilan kareng mekwa nang QSAR descriptors. Alimbawa da reng descriptor a reni ilapin deng charge, TDM, total energy (E), ionization potential (IP), Log P, ampo polarizability (lawen ya ing Table 1 para kareng formula para abalu ing IP ampo Log P).
Ing resulta ning pamangulkula papakit na ing kabilugan a singil da reng eganaganang istrukturang me-aral zero ya uling atyu la king ground state. Para keng mumunang probability ning interaction, ing TDM ning glycerol 2.788 Debye ya ampo 6.840 Debye para keng 3PVA-(C10) 2Na Alg, kabang ing TDM values ​​miragdagan ya keng 17.990 Debye, 8.848 Debye, 5.874 Debye, 7.658 Debye ampo Debye nung Debye 7.777. 3PVA-(C10) 2Na Alg makipag-ugnayan ya kareng 1, 2, 3, 4 ampo 5 units ning glycerol, respectively. nung mas matas ya ing TDM value, mas matas ya ing reactivity na keng kapaligiran.
Ing kabilugan a enerhiya (E) mekwa ya, at ing E values ​​ning glycerol ampo 3PVA-(C10)2 NaAlg meyakit lang -141.833 eV ampo -200092.503 eV, agpang kareti. Samantala, deng istrukturang magrepresenta keng 3PVA-(C10)2 NaAlg makipag-ugnayan la kareng 1, 2, 3, 4 ampo 5 glycerol units; E maging yang -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 ampo -1548.031 eV, agpang kareti. Ing pamagdakal ning glycerol magdala yang pamagbawas keng kabilugan a enerhiya at uli na niti, pamagtas ning reactivity. Base keng total energy calculation, metung yang konklusyun na ing model molecule, na 3PVA-2Na Alg-5 Gly, mas reactive ya kesa kareng aliwang model molecule. Ing phenomenon ayni makasuglung ya keng karelang istruktura. Ing 3PVA-(C10)2NaAlg atin yang adwang -COONa a grupu, kabang deng aliwang istruktura atin lang adwang -COONa a grupu pero magdalang mapilan a OH a grupu, a mangabaldugan a ing karelang reactivity papunta king kapaligiran daragul ya.
Dagdag pa, ing ionization energies (IE) da reng eganaganang istruktura ila ring mikonsidera kening pamagaral. Ing enerhiya ning ionization metung yang importanting parameter para sukad ing reactivity ning modelung me-aral. Ing enerhiyang kailangan ba yang ilipat ing electron manibat king metung a puntu ning molecule papunta king alang kapupusan, mayayaus yang ionization energy. Iti ing magrepresenta keng degree ning ionization (ie reactivity) ning molecule. nung mas matas ya ing ionization energy, mas mababa ya ing reactivity. Ing IE resulta ning 3PVA-(C10)2NaAlg a makipag-ugnayan kareng 1, 2, 3, 4 ampo 5 glycerol units ilapin deng -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 ampo -9.323 eV, kabang deng IEs ning glycerol ampo 3.323 eV(C10)2NaAlg -Na at -9.341 eV, balang metung. Uling ing pamagdagdag ning glycerol meging sangkan ning pamagbaba ning IP value, ing molecular reactivity meragdagan ya, a magpasanting king applicability ning PVA/NaAlg/glycerol model molecule kareng electrochemical devices.
Ing kalimang descriptor keng Table 3 yapin ing Log P, na ing logarithm ning partition coefficient at gagamitan ya para ilarawan nung ing istrukturang pag-aralan hydrophilic ya o hydrophobic. Ing negatibung Log P value papakit na ing hydrophilic molecule, buri ng sabyan agad yang matunaw keng danum ampo e ya masyadung matunaw keng organic solvents. Ing positibong ulaga papakit na ing kabaligtaran a prosesu.
Base kareng resulta, malyari yang ikonklusyun na deng eganaganang istruktura hydrophilic la, uling deng karelang Log P values ​​(3PVA-(C10)2Na Alg − 1Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 2Gly, 3PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly, PVA-(C10)2Na Alg − 3Gly(C10) 4Gly ampo 3PVA-(C10)2Na Alg − 5Gly) ilapin deng -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 ampo -8.504, kabang ing Log P value ning glycerol -1.081 yamu ampo ing 3PVA-(C10)2Na Alg -103 ya mu. Ing buri nang sabyan niti, magbayu la reng katangian ning istruktura a pag-aralan kabang miyabe la reng molecule ning danum king kayang istruktura.
katataulian, ing polarizabilities da reng eganaganang istruktura makalkula ya keng PM6 level gamit ing semi-empirical a paralan. minunang mebalu na ing polarizability da reng keraklan a materyales makayagpang ya kareng miyayaliwang sangkan. Ing pekamaulaga a sangkan yapin ing dagul ning istrukturang pag-aralan. Para kareng eganaganang istruktura a maki kaugnayan keng mumunang uri ning pamiugnayan pilatan ning 3PVA ampo 2NaAlg (ing pamiugnayan malilyari ya kapamilatan ning carbon atom number 10), ing polarizability miparangalan ya kapamilatan ning pamagdagdag ning glycerol. Ing polarizability daragul ya manibat 29.690 Å angga 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 ampo 54.638 Å pauli ning pamiugnayan da reng 1, 2, 3, 4 ampo 5 glycerol units. Kaya, ikit da na ing modelung molecule a maki pekamatas a polarizability yapin ing 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, kabang ing modelung molecule a maki pekamalating polarizability yapin ing 3PVA-(C10)2NaAlg, a 29.690 Å.
Ing pamagsuri kareng QSAR descriptors pepakit na ing istruktura a magrepresenta keng 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly ing peka reactive para keng mumunang mipanukalang pamiugnayan.
Para keng kaduang interaction mode pilatan ning PVA trimer ampo ing NaAlg dimer, ing resulta papakit na ing karelang charges parehu la kareng mipanukala keng minunang section para keng mumunang interaction. Deng eganaganang istruktura atin lang zero electronic charge, buri ng sabyan atyu la ngan keng ground state.
Antimo ing akakit tamu keng Table 4, ing TDM values ​​(mekalkula ya keng PM6 level) ning Term 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg meragdagan ya ibat 11.581 Debye angga 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507, 15.577, Na Alg nung ing Term − 757. 3PVA-Mid 1 Na Alg me-react ya keng 1, 2, 3, 4, 5, ampo 6 units ning glycerol. Makanyan man, ing kabilugan a enerhiya bababa ya nung daragul ya ing bilang da reng glycerol units, at nung ing Term 1 Na Alg − 3PVA- Mid 1 Na Alg makipag-ugnayan ya king metung a bilang da reng glycerol units (1 anggang 6), ing kabilugan a enerhiya yapin ing − 996.985, − 1129.013, − 1267, − 1217, − 127. 1418.964, ampo − 1637.432 eV, balang metung.
Para keng kaduang interaction probability, IP, Log P ampo polarizability makalkula la keng PM6 level ning teorya. Uli na niti, tinggap da la reng atlung pekamasikan a descriptor ning molecular reactivity. Para kareng istruktura a magrepresenta keng End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg a makipag-ugnayan kareng 1, 2, 3, 4, 5 ampo 6 a glycerol units, ing IP daragul ya manibat −9.385 eV angga −8.946, −8.848, −8.430, −9.537, −7.99 at −0.079 eV. Makanyan man, ing mekwa nang Log P value mas mababa ya pauli ning plasticization ning End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg gamit ing glycerol. kabang ing glycerol content daragul ya manibat 1 anggang 6, ing kayang ulaga maging yang -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 ampo -10.53 imbes na -3.643. Katataulian, ing polarizability data pepakit na ing pamagtas ning glycerol content meging sangkan ning pamagtas ning polarizability ning Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg. Ing polarizability ning model molecule Term 1 Na Alg- 3PVA- Mid 1 Na Alg meragul ya ibat 31.703 Å angga 63.198 Å kaybat ning pamakipag-ugnayan kareng 6 glycerol units. Importanti ing papansinan na ing pamagdakal da reng glycerol units keng kaduang interaction probability gagawan de para kumpirman na agyang dakal la reng atoms ampo komplikadung istruktura, ing performance mas masanting ya pa mu rin nung daragul ya ing glycerol content. Kaya, malyari tamung sabyan na ing available a PVA/Na Alg/glycerin model malyari yang palitan deng lithium-ion a baterya, pero kailangan ing mas marakal a pamanyaliksik ampo pamagdevelop.
Ing pamag-characterize keng binding capacity ning metung a surface keng adsorbate ampo ing pamag-evaluate kareng unique interactions pilatan da reng sistema mangailangan yang beluan keng uri ning bond a atyu pilatan da reng adwang atom, ing komplikado da reng intermolecular ampo intramolecular interactions, ampo ing electron density distribution ning surface ampo ing adsorbent. Ing electron density keng bond critical point (BCP) pilatan da reng makipag-ugnayan a atom kritikal ya para abalu ing sikanan ning bond keng QTAIM analysis. Nung mas matas ya ing electron charge density, mas matatag ya ing covalent interaction at, keng pangkabilugan, mas matas ya ing electron density kareng critical points a reni. Dagdag pa, nung parehu lang mas ditak keng 0 deng kabilugan a electron energy density (H(r)) ampo ing Laplace charge density (∇2ρ(r)), iti papakit na ing presensya da reng covalent (general) a pamiugnayan. King aliwang banda, nung ∇2ρ(r) ampo H(r) mas maragul la keng 0.54, papakit na ing presensya da reng non-covalent (closed shell) a pamiugnayan antimo reng mahina a hydrogen bonds, van der Waals forces ampo electrostatic a pamiugnayan. Ing QTAIM analysis pepakit na ing kalikasan da reng non-covalent interactions kareng me-aral a istruktura antimo ing akakit da reng Figures 7 ampo 8. Base keng analysis, deng model molecules a magrepresenta keng 3PVA − 2Na Alg ampo ing Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg pepakit da ing mas matas a katatagan kesa kareng molecules a makipag-ugnayan kareng miyayaliwang g units. Iti uling deng mapilang non-covalent a pamiugnayan a mas maralas king istruktura ning alginate antimo reng electrostatic a pamiugnayan ampo reng hydrogen bonds papalyarian de ing alginate a mag-stabilize kareng composites. Dagdag pa, ing kekaming resulta papakit na ing importansya da reng non-covalent interactions pilatan da reng 3PVA − 2Na Alg ampo ing Term 1 Na Alg − 3PVA –Mid 1 Na Alg model molecules ampo ing glycine, a papakit na ing glycine atin yang importanting papil keng pamagbayu keng kabilugan a electronic a kapaligiran da reng composites.
QTAIM analysis ning model molecule 3PVA − 2NaAlg makipag-ugnayan kareng (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, ampo (f) 5Gly.