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咪唑基離子液體如何實(shí)現(xiàn)自由表面離子的空間組織?

2024-10-09 14:48:51 sh默尼 13

室溫離子液體(RTILs)是一種完全由陰陽離子組成的室溫熔融鹽,它是一種較為新型的材料。大多數(shù)的室溫離子液體擁有較好的熱穩(wěn)定性、較大的熱力學(xué)穩(wěn)定液相范圍、良好的溶劑性和混溶性等優(yōu)點(diǎn)。因?yàn)檫@些優(yōu)良性質(zhì),室溫離子液體可用于分離技術(shù)、機(jī)械行業(yè)、太陽能電池和電化學(xué)器件等領(lǐng)域,某些室溫離子液體甚至可作為金屬腐蝕的抑制劑??梢姡?/span>RTILs在人們的生活和生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。


室溫離子液體的廣泛應(yīng)用,使得科學(xué)家們對(duì)其分子水平特性產(chǎn)生了濃厚的興趣,因此,關(guān)于這方面系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和計(jì)算研究在近幾十年呈爆發(fā)式增長。但是,室溫離子液體的本身結(jié)構(gòu)和組成在計(jì)算機(jī)模擬中卻很少被分析,目前室溫離子液體分子水平的界面結(jié)構(gòu)仍然存在“雙層結(jié)構(gòu)”和“棋盤結(jié)構(gòu)”兩種觀點(diǎn)的爭(zhēng)議。

為了進(jìn)一步確定ILs分子的結(jié)構(gòu),來自天主教大學(xué)Helga Tóth Ugyonka等研究團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算機(jī)模擬和分析的方法研究了四種由1-丁基-3-甲基咪唑(bmim+)陽離子分別與四氟硼酸陰離子(BF4-)、六氟磷酸陰離子(PF6-)、雙(三氟甲基磺酸)亞胺陰離子(NTf2-)和三氟甲磺酸陰離子(TfO-)組成的ILs。研究咪唑基離子液體自由表面離子的空間組織,為理解離子液體界面的分子結(jié)構(gòu)提供了新的見解。


研究團(tuán)隊(duì)對(duì)由bmim+與不同陰離子組成的四種離子液體的液-氣界面進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)模擬,采用Doherty等人的非極性化和OPLS-基于全原子力場(chǎng)(DZGLA模型)進(jìn)行建模,并考慮不同力場(chǎng)和電荷縮放的影響;使用ITIM分析方法識(shí)別模擬RTILs的結(jié)構(gòu)表面,并從其分子和原子兩個(gè)層面分析了界面層的組成;通過Voronoi分析方法研究了表面層內(nèi)離子的自聚集行為。



離子液體表面的電荷分布分析,從分子層角度看,表面第一層陽離子多于陰離子,第二層陰離子過量,但從原子層角度分析,表面主要由陽離子的非極性丁基鏈主導(dǎo),陰離子更易接近表面,導(dǎo)致表面呈現(xiàn)微弱的負(fù)電荷。電荷密度分布顯示,表面電荷分離很小,主要源于陰離子自身的電荷分布,其結(jié)構(gòu)與“雙層結(jié)構(gòu)”不相符合。
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