Gratias tibi ago quod nature.com invisisti. Versio navigatri quam uteris limitatam sustentationem CSS habet. Pro optima experientia, commendamus ut recentissima versione navigatri utaris (vel modum compatibilitatis in Internet Explorer deactivare). Praeterea, ut continua sustentatio praestetur, hic situs stilos vel JavaScript non continebit.
Propter copiosam copiam natrii, accumulatores ionum natrii (NIBs) solutionem alternativam promittentem ad accumulationem energiae electrochemicae repraesentant. Hodie, impedimentum principale in evolutione technologiae NIB est inopia materiarum electrodorum quae iones natrii diu reversibiliter accumulare/liberare possint. Quapropter, propositum huius studii est theoretice investigare effectum additionis glycerini in mixturas alcoholis polyvinylici (PVA) et alginatis natrii (NaAlg) ut materias electrodorum NIB. Hoc studium in descriptoribus electronicis, thermalibus, et quantitativis relationis structurae-activitatis (QSAR) electrolytorum polymerorum in mixturis PVA, alginatis natrii, et glycerini fundatis intendit. Hae proprietates methodis semi-empiricis et theoria functionalis densitatis (DFT) investigantur. Cum analysis structuralis singula interactionum inter PVA/alginatum et glycerinum revelaverit, energia hiatus zonae (Eg) investigata est. Resultata ostendunt additionem glycerini diminutionem valoris Eg ad 0.2814 eV efficere. Superficies potentialis electrostaticae molecularis (MESP) distributionem regionum electronibus divitum et electronibus pauperum necnon onerum molecularium in toto systemate electrolytico ostendit. Inter parametri thermales investigati sunt enthalpia (H), entropia (ΔS), capacitas calorica (Cp), energia libera Gibbs (G) et calor formationis. Praeterea, plura descriptores relationis quantitativae structurae-activitatis (QSAR), ut momentum dipoli totale (TDM), energia totalis (E), potentia ionizationis (IP), LogP et polarizabilitas, in hoc studio investigati sunt. Resultata demonstraverunt H, ΔS, Cp, G et TDM cum crescente temperatura et contento glycerini augeri. Interea, calor formationis, IP et E decrevit, quod reactivitatem et polarizabilitatem emendavit. Praeterea, addendo glycerinum, tensio cellulae ad 2.488 V aucta est. Computationes DFT et PM6, innixae electrolytis PVA/NaAlg glycerolo fundatis et sumptibus efficacibus, ostendunt eas pilas lithium-ion partim substituere posse propter multifunctionalitatem suam, sed ulteriores emendationes et investigationes necessariae sunt.
Quamquam accumulatores lithium-ionici (LIB) late in usu sunt, earum usus multis limitibus ob brevem vitam cycli, sumptum altum, et curas de salute obicitur. Accumulatores natrii-ionici (SIB) alternativa viabilis LIB propter latam disponibilitatem, sumptum humilem, et non-toxicitatem elementi natrii fieri possunt. Accumulatores natrii-ionici (SIB) systema accumulationis energiae magis magisque magni momenti pro machinis electrochemicis fiunt1. Accumulatores natrii-ionici magnopere in electrolytis nituntur ad transportationem ionum facilitandam et currentem electricum generandum2,3. Electrolyti liquidi plerumque ex salibus metallicis et solventibus organicis constant. Applicationes practicae diligentem considerationem salutis electrolytorum liquidorum requirunt, praesertim cum accumulator tensioni thermali vel electricae subiectus est4.
Accumulatores ionum natrii (SIBs) accumulatores ionum lithii in proximo futuro substituere exspectantur propter copiosas reservas oceanicas, non toxicitatem, et sumptum materiale humilem. Synthesis nanomateriarum progressionem repositionis datorum, instrumentorum electronicorum, et opticorum acceleravit. Magnum corpus litterarum demonstravit applicationem variarum nanostructurarum (e.g., oxidorum metallicorum, grapheni, nanotubulorum, et fullerenorum) in accumulatoribus ionum natrii. Investigatio in progressionem materiarum anodicarum, inter quas polymerorum, pro accumulatoribus ionum natrii intendit propter versatilitatem et amicitatem erga ambitum. Studium investigationis in agro accumulatorum polymerorum rechargeabilium sine dubio augebitur. Novae materiae electrodorum polymerorum cum structuris et proprietatibus singularibus viam sternent technologiis repositionis energiae amicabilibus ambitus. Quamquam variae materiae electrodorum polymerorum exploratae sunt ad usum in accumulatoribus ionum natrii, hic campus adhuc in primis stadiis progressionis est. Pro accumulatoribus ionum natrii, plures materiae polymerorum cum diversis configurationibus structuralibus explorandae sunt. Ex nostra hodierna cognitione de mechanismo accumulationis ionum natrii in materiis electrodorum polymericorum, hypothesim fieri potest greges carbonylicos, radicales liberos, et heteroatomos in systemate coniugato posse fungi ut loca activa interactionis cum ionibus natrii. Quapropter, permagni momenti est nova polymera cum alta densitate horum locorum activorum evolvere. Electrolytum polymericum gelatinosum (GPE) est technologia alternativa quae firmitatem accumulatoris, conductivitatem ionum, nullam effusionem, flexibilitatem magnam, et bonam functionem emendat.
Matrices polymericae materias ut PVA et oxidum polyethylenicum (PEO)13 comprehendunt. Polymerum gel permeabile (GPE) electrolytum liquidum in matrice polymerica immobilizat, quod periculum effluxus comparatum cum separatoribus commercialibus14 minuit. PVA est polymerum syntheticum biodegradabile. Magnam permittivitatem habet, vilis est et non toxicum. Materia nota est propter proprietates pelliculae formandae, stabilitatem chemicam et adhaesionem. Etiam greges functionales (OH) et altam densitatem potentialem reticulationis possidet15,16,17. Miscelatio polymerorum, additio plastificantis, additio compositarum et technicae polymerizationis in situ adhibitae sunt ad conductivitatem electrolytorum polymerorum PVA fundatorum emendandam, ut crystallinitas matricis reducatur et flexibilitas catenae augeatur18,19,20.
Miscendi ratio est methodus magni momenti ad materias polymericas ad usus industriales evolvendas. Mixtiones polymerorum saepe adhibentur ad: (1) proprietates processus polymerorum naturalium in applicationibus industrialibus emendandas; (2) proprietates chemicas, physicas et mechanicas materiarum biodegradabilium emendandas; et (3) se accommodandam celeriter mutanti postulationi novarum materiarum in industria involucrorum ciborum. Dissimilis copolymerizationi, miscendi ratio polymerorum est processus vilis qui utitur processibus physicis simplicibus potius quam processibus chemicis complexis ad proprietates desideratas consequendas21. Ad homopolymera formanda, polymeri diversi interagere possunt per vires dipol-dipol, vincula hydrogenii, vel complexa translationis oneris22,23. Mixtiones ex polymeris naturalibus et syntheticis factae bonam biocompatibilitatem cum excellentibus proprietatibus mechanicis coniungere possunt, materiam superiorem creantes parvo sumptu productionis24,25. Quapropter, magnum studium fuit in creandis materiis polymericis biorelevantibus miscendo polymeros syntheticos et naturales. PVA cum alginato natrii (NaAlg), cellulosa, chitosano et amylo combinari potest26.
Alginas natricus est polymerum naturale et polysaccharidum anionicum ex algis marinis fuscis extractum. Alginas natricus constat ex acido D-mannuronico (M) β-(1-4)-coniuncto et acido L-guluronico (G) α-(1-4)-coniuncto, in formas homopolymericas (poly-M et poly-G) et fragmenta heteropolymerica (MG vel GM)27 ordinatis. Contentum et relativa proportio fragmentorum M et G effectum significantem in proprietates chemicas et physicas alginatis28,29 habet. Alginas natricus late adhibetur et investigatur propter biodegradabilitatem, biocompatibilitatem, pretium vile, bonas proprietates pelliculae formandae, et non-toxicitatem. Tamen, magnus numerus gregum hydroxylorum (OH) et carboxylatorum (COO) liberorum in catena alginatis alginam valde hydrophilicam facit. Attamen, alginas proprietates mechanicas malas habet propter fragilitatem et rigiditatem. Ergo, alginas cum aliis materiis syntheticis combinari potest ad sensibilitatem aquae et proprietates mechanicas emendandas30,31.
Antequam novae materiae electrodi designentur, computationes DFT saepe adhibentur ad possibilitatem fabricationis novarum materiarum aestimandam. Praeterea, scientifici exemplationem molecularem adhibent ad confirmandos et praedicendos eventus experimentales, tempus conservandum, iacturam chemicam reducendam, et habitum interactionis praedicendum32. Exemplatio molecularis facta est potens et magni momenti scientiae ramus in multis campis, inter quos scientia materialium, nanomateria, chemia computationalis, et inventionis medicamentorum33,34. Programmata exemplationis utentes, scientifici possunt directe obtinere data molecularia, inter quae energia (calor formationis, potentialis ionizationis, energia activationis, etc.) et geometria (anguli vinculorum, longitudines vinculorum, et anguli torsionis)35. Accedit quod proprietates electronicae (onus, energia hiatus zonae HOMO et LUMO, affinitas electronica), proprietates spectrales (modi et intensitates vibrationis characteristicae ut spectra FTIR), et proprietates moles (volumen, diffusio, viscositas, modulus, etc.)36 calculari possunt.
LiNiPO4 propter densitatem energiae magnam (tensione operativa circiter 5.1 V) commoda potentialia ostendit in certando cum materiis electrodi positivi accumulatorum lithium-ionicorum. Ut commodum LiNiPO4 in regione altae tensionis plene adhibeatur, tensio operativa deminui debet, quia electrolytus altae tensionis, qui nunc elaboratus est, relative stabilis manere potest tantum ad tensiones infra 4.8 V. Zhang et al. dopationem omnium metallorum transitionis 3d, 4d, et 5d in loco Ni LiNiPO4 investigaverunt, exempla dopationis cum excellenti effectu electrochemico elegerunt, et tensionem operativam LiNiPO4 adaptaverunt, stabilitate relativa effectus electrochemici servata. Minimae tensiones operativae quas obtinuerunt erant 4.21, 3.76, et 3.5037 pro LiNiPO4 Ti, Nb, et Ta-dopato, respective.
Quapropter, huius studii propositum est theoretice investigare effectum glycerini ut plastificantis in proprietates electronicas, descriptores QSAR et proprietates thermicas systematis PVA/NaAlg utens computationibus mechanicis quanticis ad applicationem eius in accumulatoribus ion-ionicis recargabilibus. Interactiones moleculares inter exemplar PVA/NaAlg et glycerinum analysatae sunt utens theoria atomica quantica molecularum Baderiana (QTAIM).
Exemplar moleculare interactionem PVA cum NaAlg deinde cum glycerolo repraesentans per DFT optimizatum est. Exemplar computatum est programmate Gaussian 0938 in Departamento Spectroscopiae, Centro Nationali Investigationis, Cairo, Aegypto. Exemplaria optimizata sunt per DFT in gradu B3LYP/6-311G(d, p)39,40,41,42. Ad interactionem inter exempla investigata verificandam, studia frequentiae peracta in eodem gradu theoriae stabilitatem geometriae optimizatae demonstrant. Absentia frequentiarum negativarum inter omnes frequentias aestimatas structuram coniecturalem in minimis veris positivis in superficie energiae potentialis illustrat. Parametri physici ut TDM, energia hiatus zonae HOMO/LUMO et MESP in eodem gradu theoriae mechanicae quanticae calculati sunt. Praeterea, nonnulli parametri thermales, ut calor formationis finalis, energia libera, entropia, enthalpia et capacitas calorica, formulis in Tabula 1 datis utentes computati sunt. Modela investigata analysi theoriae quanticae atomorum in moleculis (QTAIM) subiecta sunt ut interactiones in superficie structurarum investigatarum occurrentes identificarentur. Hae computationes per mandatum "output=wfn" in codice programmatis Gaussian 09 peractae sunt, deinde per codicem programmatis Avogadro visualizatae sunt43.
Ubi E est energia interna, P est pressio, V est volumen, Q est commutatio caloris inter systema et ambitum eius, T est temperatura, ΔH est mutatio enthalpiae, ΔG est mutatio energiae liberae, ΔS est mutatio entropiae, a et b sunt parametri vibrationales, q est onus atomicum, et C est densitas electronica atomica44,45. Denique, eaedem structurae optimizatae sunt et parametri QSAR calculati sunt ad gradum PM6 utens codice programmatis SCIGRESS46 apud Departmentum Spectroscopiae Centri Nationalis Investigationis Cairi, Aegypto.
In opere nostro priori47, exemplar probabilissimum, quod interactionem trium unitatum PVA cum duabus unitatibus NaAlg describebat, glycerolo ut plastificante agente, aestimavimus. Ut supra dictum est, duae possibilitates interactionis PVA et NaAlg sunt. Duo exempla, quae 3PVA-2NaAlg (secundum numerum carbonii 10) et Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg designantur, minimum valorem hiatus energiae habent48 comparatis cum aliis structuris consideratis. Ergo, effectus additionis Gly in exemplar probabilissimum polymeri mixti PVA/NaAlg investigatus est utens his duabus structuris posterioribus: 3PVA-(C10)2NaAlg (simplicitatis causa 3PVA-2NaAlg appellatum) et Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg. Secundum litteras, PVA, NaAlg et glycerol tantum debiles nexus hydrogenii inter greges functionales hydroxyli formare possunt. Cum et trimer PVA et NaAlg et dimer glycerini plures greges OH contineant, contactus per unum ex gregibus OH fieri potest. Figura 1 interactionem inter moleculam glycerini exemplarem et moleculam exemplarem 3PVA-2NaAlg ostendit, et Figura 2 exemplar constructum interactionis inter moleculam exemplarem Term 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg et diversas concentrationes glycerini ostendit.
Structurae optimizatae: (a) Gly et 3PVA − 2NaAlg cum (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, et (f) 5 Gly interagunt.
Structurae optimizatae Terminalis 1Na Alg-3PVA-Mid 1Na Alg interagentis cum (a) 1 Gly, (b) 2 Gly, (c) 3 Gly, (d) 4 Gly, (e) 5 Gly, et (f) 6 Gly.
Energia lacunae electronicae est parametrus magni momenti considerandus cum reactivitatem cuiuslibet materiae electrodi investigas. Quia describit mores electronum cum materia mutationibus externis subicitur. Quapropter necesse est energias lacunae electronicae HOMO/LUMO pro omnibus structuris studiatis aestimare. Tabula 2 mutationes in energiis HOMO/LUMO 3PVA-(C10)2NaAlg et Term 1NaAlg − 3PVA-Mid 1NaAlg propter additionem glycerini ostendit. Secundum ref47, valor Eg 3PVA-(C10)2NaAlg est 0.2908 eV, dum valor Eg structurae probabilitatem secundae interactionis reflectentis (i.e., Term 1NaAlg − 3PVA-Mid 1NaAlg) est 0.5706 eV.
Inventum est autem additionem glycerini levem mutationem in valore Eg 3PVA-(C10)2NaAlg effecisse. Cum 3PVA-(C10)2NaAlg cum 1, 2, 3, 4 et 5 unitatibus glycerini interageret, valores eius Eg 0.302, 0.299, 0.308, 0.289 et 0.281 eV respective facti sunt. Attamen utilis observatio est, post additionem trium unitatum glycerini, valor Eg minor factus esse quam valor 3PVA-(C10)2NaAlg. Exemplar interactionem 3PVA-(C10)2NaAlg cum quinque unitatibus glycerini repraesentans est exemplar interactionis probabilissimum. Hoc significat, cum numerus unitatum glycerini crescit, probabilitatem interactionis etiam augeri.
Interea, pro secunda interactionis probabilitate, energiae HOMO/LUMO molecularum exemplarium repraesentantium Terminum 1NaAlg−3PVA–Mid 1NaAlg−1Gly, Terminum 1NaAlg−3PVA–Mid 1NaAlg−2Gly, Terminum 1NaAlg−3PVA–Mid 1NaAlg−3Gly, Terminum 1NaAlg−3PVA–Mid 1NaAlg−4Gly, Terminum 1NaAlg−3PVA–Mid 1NaAlg−5Gly et Terminum 1NaAlg−3PVA–Mid 1NaAlg−6Gly fiunt 1.343, 1.347, 0.976, 0.607, 0.348 et 0.496 eV respective. Tabula 2 ostendit energias lacunae zonae HOMO/LUMO computatas pro omnibus structuris. Praeterea, idem modus probabilitatum interactionis primi gregis hic repetitur.
Theoria zonarum electricarum in physica status solidi affirmat, cum hiatus zonarum electricarum materiae electrodi decrescit, conductivitatem electronicam materiae augere. Applicatio est methodus communis ad hiatum zonarum electricarum materiarum cathodicarum ionum natrii minuendum. Jiang et al. applicationem Cu adhibuerunt ad conductivitatem electronicam materiarum stratificatarum β-NaMnO2 emendandam. Usi computationibus DFT, invenerunt applicationem hiatum zonarum electricarum materiae a 0.7 eV ad 0.3 eV diminuere. Hoc indicat applicationem Cu conductivitatem electronicam materiae β-NaMnO2 emendare.
MESP definitur ut energia interactionis inter distributionem oneris molecularis et singulam onus positivum. MESP instrumentum efficax habetur ad intellegendas et interpretandas proprietates chemicas et reactivitatem. MESP adhiberi potest ad intellegendos mechanismos interactionum inter materias polymericas. MESP distributionem oneris intra compositum investigatum describit. Praeterea, MESP informationem de locis activis in materiis investigatis praebet32. Figura 3 diagrammata MESP 3PVA-(C10)2NaAlg, 3PVA-(C10)2NaAlg − 1Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 2Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 3Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 4Gly, et 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly praedicta ad gradum theoriae B3LYP/6-311G(d, p) ostendit.
Lineamenta MESP cum B3LYP/6-311 g(d, p) calculata pro (a) Gly et 3PVA − 2NaAlg cum (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, et (f) 5 Gly interagentibus.
Interea, Figura 4 ostendit eventus MESP computatos pro Termino 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg, Termino 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg-1Gly, Termino 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 2Gly, Termino 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 3gly, Termino 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 4Gly, Termino 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg-5gly et Termino 1Na Alg-3PVA – Mid 1Na Alg − 6Gly, respective. MESP computatum repraesentatur ut habitus lineae horizontalis. Lineae lineae horizontalis coloribus diversis repraesentantur. Quisque color valorem electronegativitatis diversum repraesentat. Color ruber locos valde electronegativos vel reactivos indicat. Interim, color flavus locos neutros 49, 50, 51 in structura repraesentat. Resultata MESP demonstraverunt reactivitatem 3PVA-(C10)2NaAlg augeri cum incremento coloris rubri circa exempla investigata. Interea, intensitas coloris rubri in mappa MESP moleculae exemplaris Term 1NaAlg-3PVA – Mid 1NaAlg decrescit propter interactionem cum diverso contento glycerini. Mutatio in distributione coloris rubri circa structuram propositam reactivitatem reflectit, dum incrementum intensitatis incrementum electronegativitatis moleculae exemplaris 3PVA-(C10)2NaAlg propter incrementum contenti glycerini confirmat.
B3LYP/6-311 g(d, p) Terminus MESP 1NaAlg-3PVA-Mid 1NaAlg cum (a) 1Gly, (b) 2Gly, (c) 3Gly, (d) 4Gly, (e) 5Gly, et (f) 6Gly interagentium computatus.
Omnes structurae propositae parametros thermicos suos, ut enthalpiam, entropiam, capacitatem caloricam, energiam liberam et calorem formationis, habent ad varias temperaturas in spatio ab 200 K ad 500 K computatos. Ad describendum mores systematum physicorum, praeter studium eorum mores electronicos, necesse est etiam studium eorum mores thermicos ut functionem temperaturae propter interactionem inter se, quod computari potest utens aequationibus in Tabula 1 datis. Studium horum parametrorum thermicorum habetur index magni momenti responsionis et stabilitatis talium systematum physicorum ad varias temperaturas.
Quod ad enthalpiam trimeri PVA attinet, primum cum dimero NaAlg reagit, deinde per gregem OH atomo carbonii #10 annexum, et denique cum glycerolo. Enthalpia est mensura energiae in systemate thermodynamico. Enthalpia aequalis est calori totali in systemate, quod aequivalet energiae internae systematis plus producto voluminis et pressionis eius. Aliis verbis, enthalpia ostendit quantum caloris et operis substantiae additur vel ab ea removetur.
Figura V mutationes enthalpiae per reactionem 3PVA-(C10)2NaAlg cum variis glycerini concentrationibus ostendit. Abbreviationes A0, A1, A2, A3, A4, et A5 moleculas exemplares 3PVA-(C10)2NaAlg, 3PVA-(C10)2NaAlg − 1 Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 2Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 3Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 4Gly, et 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly, respective, repraesentant. Figura 5a ostendit enthalpiam crescere cum temperatura et glycerini contento crescente. Enthalpia structurae repraesentantis 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly (i.e., A5) ad 200 K est 27.966 cal/mol, dum enthalpia structurae repraesentantis 3PVA-2NaAlg ad 200 K est 13.490 cal/mol. Denique, cum enthalpia positiva sit, haec reactio endothermica est.
Entropia definitur ut mensura energiae indisponibilis in systemate thermodynamico clauso et saepe habetur ut mensura perturbationis systematis. Figura 5b mutationem entropiae 3PVA-(C10)2NaAlg cum temperatura et quomodo cum diversis unitatibus glycerini interagat ostendit. Graphica ostendit entropiam lineariter mutari cum temperatura a 200 K ad 500 K crescit. Figura 5b clare demonstrat entropiam exemplaris 3PVA-(C10)2NaAlg ad 200 cal/K/mol tendere ad 200 K quia exemplar 3PVA-(C10)2NaAlg minus perturbationis clathri exhibet. Cum temperatura crescit, exemplar 3PVA-(C10)2NaAlg perturbatur et augmentum entropiae cum temperatura crescente explicat. Praeterea, manifestum est structuram 3PVA-C102NaAlg-5Gly maximum valorem entropiae habere.
Idem modus agendi in Figura 5c observatur, quae mutationem capacitatis caloricae cum temperatura ostendit. Capacitas calorica est quantitas caloris requisita ad temperaturam datae quantitatis substantiae 1°C mutandam. Figura 5c mutationes capacitatis caloricae moleculae exemplaris 3PVA-(C10)2NaAlg propter interactiones cum 1, 2, 3, 4, et 5 unitatibus glycerinis ostendit. Figura demonstrat capacitatem caloricam exemplaris 3PVA-(C10)2NaAlg lineariter cum temperatura crescere. Incrementum observatum capacitatis caloricae cum crescente temperatura vibrationibus thermalibus phononum attribuitur. Praeterea, sunt indicia quod auctum contenti glycerini ad augmentum capacitatis caloricae exemplaris 3PVA-(C10)2NaAlg ducit. Insuper, structura ostendit 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly maximum valorem capacitatis caloricae comparatum aliis structuris habere.
Alia parametria, ut energia libera et calor formationis finalis, pro structuris investigatis computata sunt et in Figura 5d et e respective monstrantur. Calor formationis finalis est calor emissus vel absorptus durante formatione substantiae purae ex elementis suis constituentibus sub pressione constanti. Energia libera definiri potest ut proprietas similis energiae, id est, eius valor pendet a quantitate substantiae in unoquoque statu thermodynamico. Energia libera et calor formationis 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly infima erant et -1318.338 et -1628.154 kcal/mol respective. Contra, structura 3PVA-(C10)2NaAlg repraesentans valores energiae liberae et caloris formationis maximos -690.340 et -830.673 kcal/mol respective habet, comparata cum aliis structuris. Ut in Figura 5 monstratur, variae proprietates thermales mutantur propter interactionem cum glycerolo. Energia libera Gibbs negativa est, quod indicat structuram propositam stabilem esse.
PM6 parametros thermicos puri 3PVA-(C10)2NaAlg (exemplar A0), 3PVA-(C10)2NaAlg − 1 Gly (exemplar A1), 3PVA-(C10)2NaAlg − 2 Gly (exemplar A2), 3PVA-(C10)2NaAlg − 3 Gly (exemplar A3), 3PVA-(C10)2NaAlg − 4 Gly (exemplar A4), et 3PVA-(C10)2NaAlg − 5 Gly (exemplar A5) calculavit, ubi (a) enthalpia, (b) entropia, (c) capacitas calorica, (d) energia libera, et (e) calor formationis est.
Ex altera parte, secundus modus interactionis inter trimerum PVA et dimericum NaAlg in gregibus OH terminalibus et mediis in structura trimeri PVA occurrit. Sicut in primo grege, parametri thermales eodem gradu theoriae computati sunt. Figura 6a-e variationes enthalpiae, entropiae, capacitatis caloricae, energiae liberae et, denique, caloris formationis ostendit. Figurae 6a-c ostendunt enthalpiam, entropiam et capacitatem caloricam Term 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg eundem modum agendi ac primus grex exhibere cum 1, 2, 3, 4, 5 et 6 unitatibus glyceroli interagunt. Praeterea, valores eorum gradatim augentur cum temperatura crescente. Accedit quod in proposito modello Term 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg valores enthalpiae, entropiae et capacitatis caloricae cum incremento contenti glyceroli augentur. Abbreviationes B0, B1, B2, B3, B4, B5 et B6 structuras sequentes respective repraesentant: Terminus 1 Na Alg − 3PVA - Mid 1 Na Alg, Terminus 1 Na Alg - 3PVA - Mid 1 Na Alg − 1 Gly, Terminus 1 Na Alg - 3PVA - Mid 1 Na Alg − 2gly, Terminus 1 Na Alg - 3PVA - Mid 1 Na Alg − 3gly, Terminus 1 Na Alg - 3PVA - Mid 1 Na Alg − 4 Gly, Terminus 1 Na Alg - 3PVA - Mid 1 Na Alg − 5 Gly et Terminus 1 Na Alg - 3PVA - Mid 1 Na Alg − 6 Gly. Ut in Fig. 6a–c demonstratur, manifestum est valores enthalpiae, entropiae et capacitatis caloricae crescere cum numerus unitatum glycerini ab 1 ad 6 crescit.
PM6 parametros thermicos puri Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg (exemplar B0), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 1 Gly (exemplar B1), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 2 Gly (exemplar B2), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 3 Gly (exemplar B3), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 4 Gly (exemplar B4), Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 5 Gly (exemplar B5), et Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg – 6 Gly (exemplar B6) calculavit, inter quos (a) enthalpia, (b) entropia, (c) capacitas calorica, (d) energia libera, et (e) calor formationis.
Praeterea, structura quae Terminum 1 NaAlg-3PVA-Mid 1 NaAlg-6Gly repraesentat, valores enthalpiae, entropiae et capacitatis caloricae, comparata cum aliis structuris, altissimas habet. Inter eas, valores earum ab 16.703 cal/mol, 257.990 cal/mol/K et 131.323 kcal/mol in Terme 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg ad 33.223 cal/mol, 420.038 cal/mol/K et 275.923 kcal/mol in Terme 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg − 6Gly respective aucti sunt.
Figurae autem 6d et e dependentiam temperaturae energiae liberae et caloris finalis formationis (HF) ostendunt. HF definiri potest ut mutatio enthalpiae quae fit cum una moles substantiae ex elementis suis sub condicionibus naturalibus et normalibus formatur. Ex figura patet energiam liberam et calorem finalem formationis omnium structurarum studiatarum dependentiam linearem a temperatura ostendere, id est, gradatim et lineariter augentur cum temperatura crescente. Praeterea, figura etiam confirmavit structuram repraesentantem Terminum 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg − 6Gly minimam energiam liberam et minimum HF habere. Ambo parametri a -758.337 ad -899.741 K cal/mol in termino 1 NaAlg − 3PVA-Mid 1 NaAlg − 6Gly ad -1,476.591 et -1,828.523 K cal/mol decreverunt. Ex resultatis patet HF cum incremento unitatum glycerini decrescere. Hoc significat propter augmentum gregum functionalium, reactivitatem quoque augeri et proinde minus energiae requiri ad reactionem perficiendam. Hoc confirmat PVA/NaAlg plasticizatum in batteriis adhiberi posse propter magnam reactivitatem.
In genere, effectus temperaturae in duos typos dividuntur: effectus temperaturae humilis et effectus temperaturae altae. Effectus temperaturarum humilium imprimis sentiuntur in terris in altis latitudinibus sitis, ut Groenlandia, Canada, et Russia. Hieme, temperatura aeris externi in his locis multo infra zero gradus Celsii est. Vita et efficacia accumulatorum lithium-ion affici possunt temperaturis humilibus, praesertim iis quae in vehiculis electricis hybridis insertabilibus, vehiculis pure electricis, et vehiculis electricis hybridis adhibentur. Iter spatiale est aliud ambiens frigidum quod accumulatores lithium-ion requirit. Exempli gratia, temperatura in Marte ad -120 gradus Celsii descendere potest, quod impedimentum magnum usui accumulatorum lithium-ion in navibus spatialibus ponit. Temperaturae operationis humiles ad diminutionem in celeritate translationis oneris et activitate reactionis chemicae accumulatorum lithium-ion ducere possunt, quod ad diminutionem celeritatis diffusionis ionum lithium intra electrodum et conductivitatis ionicae in electrolyto ducit. Haec degradatio ad capacitatem et potentiam energiae reductam, et interdum etiam ad efficaciam reductam, perducit.
Effectus altae temperaturae in latiori varietate ambitus applicationum occurrit, inter quos et ambitus altae et humilis temperaturae sunt, dum effectus humilis temperaturae praecipue ad ambitus applicationum humilis temperaturae limitatur. Effectus humilis temperaturae imprimis a temperatura ambiente determinatur, dum effectus altae temperaturae plerumque accuratius attribuitur altis temperaturis intra accumulatorem lithium-ion durante operatione.
Accumulatores lithium-ionici calorem generant sub condicionibus magnae intensitatis (inter quas celeris oneratio et celeris exoneratio), quod temperaturam internam augere facit. Expositio temperaturis altis etiam degradationem functionis accumulatoris causare potest, inter quas iactura capacitatis et potentiae. Typice, iactura lithii et recuperatio materiarum activarum sub temperaturis altis ad iacturam capacitatis ducit, et iactura potentiae ob augmentum resistentiae internae fit. Si temperatura effrenata fit, effusio thermalis fit, quae in quibusdam casibus ad combustionem spontaneam vel etiam explosionem ducere potest.
Computationes QSAR sunt methodus computationalis vel mathematica adhibita ad relationes inter actionem biologicam et proprietates structurales compositorum identificandas. Omnes moleculae designatae optimizatae sunt et quaedam proprietates QSAR ad gradum PM6 calculatae sunt. Tabula 3 nonnullos descriptores QSAR calculatos enumerat. Exempla talium descriptorum sunt carica, TDM, energia totalis (E), potentia ionizationis (IP), LogP, et polarizabilitas (vide Tabulam 1 pro formulis ad IP et LogP determinandos).
Resultata calculi ostendunt omnem caricam omnium structurarum investigatarum nullam esse, cum in statu fundamentali sint. Pro prima probabilitate interactionis, TDM glycerini erat 2.788 Debye et 6.840 Debye pro 3PVA-(C10)2NaAlg, dum valores TDM aucti sunt ad 17.990 Debye, 8.848 Debye, 5.874 Debye, 7.568 Debye et 12.779 Debye cum 3PVA-(C10)2NaAlg cum 1, 2, 3, 4 et 5 unitatibus glycerini, respective, interageret. Quo altior valor TDM, eo altior eius reactivitas cum ambitu.
Energia totalis (E) etiam computata est, et valores E glycerini et 3PVA-(C10)2 NaAlg inventi sunt -141.833 eV et -200092.503 eV respective. Interea, structurae 3PVA-(C10)2 NaAlg repraesentantes cum 1, 2, 3, 4 et 5 unitatibus glycerini interagunt; E fit -996.837, -1108.440, -1238.740, -1372.075 et -1548.031 eV respective. Augmentum contenti glycerini ad diminutionem energiae totalis et ergo ad augmentum reactivitatis ducit. Ex computatione energiae totalis, conclusum est moleculam exemplarem, quae est 3PVA-2NaAlg-5Gly, magis reactivam esse quam aliae moleculae exemplares. Hoc phaenomenon cum structura earum coniunctum est. 3PVA-(C10)2NaAlg tantum duos greges -COONa continet, dum aliae structurae duos greges -COONa continent sed plures greges OH ferunt, quod significat earum reactivitatem erga ambitum augeri.
Praeterea, energiae ionizationis (IE) omnium structurarum in hoc studio considerantur. Energia ionizationis est parametrus magni momenti ad reactivitatem exemplaris studiati metiendam. Energia necessaria ad electronem movendum ab uno puncto moleculae ad infinitum energia ionizationis appellatur. Gradum ionizationis (id est reactivitatem) moleculae repraesentat. Quo altior energia ionizationis, eo minor reactivitas. Resultata IE 3PVA-(C10)2NaAlg interagentis cum 1, 2, 3, 4 et 5 unitatibus glycerini fuerunt -9.256, -9.393, -9.393, -9.248 et -9.323 eV respective, dum IE glycerini et 3PVA-(C10)2NaAlg fuerunt -5.157 et -9.341 eV respective. Cum additio glycerini valorem IP diminutionem effecerit, reactivitas molecularis aucta est, quod applicabilitatem moleculae exemplaris PVA/NaAlg/glycerini in machinis electrochemicis amplificat.
Quintus descriptor in Tabula 3 est Log P, quod est logarithmus coefficientis partitionis et adhibetur ad describendum utrum structura investigata sit hydrophilica an hydrophobica. Valor negativus Log P indicat moleculam hydrophilicam, id est, eam facile in aqua dissolvi et male in solventibus organicis dissolvi. Valor positivus processum contrarium indicat.
Ex resultatis obtentis, concludi potest omnes structuras hydrophilicas esse, cum valores Log P earum (3PVA-(C10)2NaAlg − 1Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 2Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 3Gly, 3PVA-(C10)2NaAlg − 4Gly et 3PVA-(C10)2NaAlg − 5Gly) sint -3.537, -5.261, -6.342, -7.423 et -8.504 respective, cum valor Log P glycerini tantum sit -1.081 et 3PVA-(C10)2NaAlg tantum -3.100. Hoc significat proprietates structurae investigatae mutaturas esse dum moleculae aquae in eius structuram incorporantur.
Denique, polarizabilitates omnium structurarum etiam ad gradum PM6 computantur methodo semi-empirica utens. Antehac notatum est polarizabilitatem plurimarum materiarum a variis factoribus pendere. Factor gravissimus est volumen structurae investigatae. Omnibus structuris quae primum genus interactionis inter 3PVA et 2NaAlg implicant (interactio per atomum carbonis numerum 10 fit), polarizabilitas additione glycerini augetur. Polarizabilitas ab 29.690 Å ad 35.076, 40.665, 45.177, 50.239 et 54.638 Å augetur propter interactiones cum 1, 2, 3, 4 et 5 unitatibus glycerini. Itaque inventum est moleculam exemplarem cum maxima polarizabilitate esse 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly, dum molecula exemplaris cum minima polarizabilitate est 3PVA-(C10)2NaAlg, quae est 29.690 Å.
Aestimatio descriptorum QSAR revelavit structuram repraesentantem 3PVA-(C10)2NaAlg−5Gly esse maxime reactivam pro prima interactione proposita.
Pro secundo modo interactionis inter trimerum PVA et dimerum NaAlg, eventus ostendunt eorum caricas similes esse illis quae in sectione praecedenti pro prima interactione propositae sunt. Omnes structurae nullam habent caricam electronicam, quod significat eas omnes in statu fundamentali esse.
Ut in Tabula IV demonstratur, valores TDM (ad gradum PM6 computati) Terminus 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg ab 11.581 Debye ad 15.756, 19.720, 21.756, 22.732, 15.507, et 15.756 aucti sunt cum Terminus 1 Na Alg − 3PVA-Mid 1 Na Alg cum 1, 2, 3, 4, 5, et 6 unitatibus glycerini reagebat. Energia autem totalis decrescit cum incremento numeri unitatum glycerini, et cum Terminus 1 NaAlg − 3PVA- Medius 1 NaAlg cum certo numero unitatum glycerini (1 ad 6) interagitur, energia totalis est −996.985, −1129.013, −1267.211, −1321.775, −1418.964, et −1637.432 eV, respective.
Pro secunda probabilitate interactionis, IP, LogP et polarizabilitas etiam ad gradum theoriae PM6 computantur. Quapropter, tres descriptores potentissimos reactivitatis molecularis consideraverunt. Pro structuris repraesentantibus End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg cum 1, 2, 3, 4, 5 et 6 unitatibus glycerini interagentes, IP a −9.385 eV ad −8.946, −8.848, −8.430, −9.537, −7.997 et −8.900 eV augetur. Attamen, valor LogP computatus inferior erat propter plasticizationem End 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg cum glycerolo. Cum contentum glycerini ab 1 ad 6 augetur, valores eius fiunt -5.334, -6.415, -7.496, -9.096, -9.861 et -10.53 loco -3.643. Denique, data polarizabilitatis demonstraverunt augmentum contenti glycerini effecisse augmentum polarizabilitatis Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg. Polarizabilitas moleculae exemplaris Term 1 Na Alg-3PVA-Mid 1 Na Alg aucta est ab 31.703 Å ad 63.198 Å post interactionem cum 6 unitatibus glycerini. Interest notare augmentum numeri unitatum glycerini in secunda probabilitate interactionis perfici ad confirmandum, quamvis magnus numerus atomorum et structura complexa sit, efficaciam adhuc meliorem fieri cum incremento contenti glycerini. Itaque dici potest exemplar PVA/Na Alg/glycerini praesto pilas lithium-ionicas partim substituere posse, sed plus investigationis et progressionis requiri.
Ad facultatem ligandi superficiei ad adsorbatum describendam et interactiones singulares inter systemata aestimandas, necesse est cognitionem generis vinculi inter duos atomos existentes, complexitatis interactionum intermolecularium et intramolecularium, et distributionis densitatis electronicae superficiei et adsorbentis. Densitas electronica ad punctum criticum vinculi (PCV) inter atomos interagentes critica est ad robur vinculi in analysi QTAIM aestimandum. Quo maior densitas oneris electronici, eo stabilior interactio covalentis, et in genere eo maior densitas electronica ad haec puncta critica. Praeterea, si et densitas energiae electronicae totalis (H(r)) et densitas oneris Laplace (∇2ρ(r)) minores quam 0 sunt, hoc praesentiam interactionum covalentium (generalium) indicat. Contra, cum ∇2ρ(r) et H(r) maiores quam 0.54 sunt, praesentiam interactionum non covalentium (testae clausae), ut vincula hydrogenii debilia, vires van der Waals, et interactiones electrostaticae, indicat. Analysis QTAIM naturam interactionum non-covalentium in structuris investigatis revelavit, ut in Figuris 7 et 8 demonstratur. Secundum analysin, moleculae exemplares 3PVA − 2NaAlg et Term 1 NaAlg − 3PVA – Mid 1 NaAlg repraesentantes stabilitatem maiorem demonstraverunt quam moleculae cum diversis unitatibus glycini interagentes. Hoc fit quia numerus interactionum non-covalentium, quae magis praevalentes sunt in structura alginati, ut interactiones electrostaticae et vincula hydrogenii, alginatum permittunt composita stabilire. Praeterea, nostrae conclusiones demonstrant momentum interactionum non-covalentium inter moleculas exemplares 3PVA − 2NaAlg et Term 1 NaAlg − 3PVA – Mid 1 NaAlg et glycinam, indicando glycinam munus grave agere in modificando ambitu electronico generali compositarum.
Analysis QTAIM moleculae exemplaris 3PVA - 2NaAlg interagentis cum (a) 0 Gly, (b) 1 Gly, (c) 2 Gly, (d) 3 Gly, (e) 4 Gly, et (f) 5 Gly.