咪唑基离子液体如何实现自由表面离子的空间组织?

2024-10-09 14:48:51 sh默尼 10

室温离子液体(RTILs)是一种完全由阴阳离子组成的室温熔融盐,它是一种较为新型的材料。大多数的室温离子液体拥有较好的热稳定性、较大的热力学稳定液相范围、良好的溶剂性和混溶性等优点。因为这些优良性质,室温离子液体可用于分离技术、机械行业、太阳能电池和电化学器件等领域,某些室温离子液体甚至可作为金属腐蚀的抑制剂。可见,RTILs在人们的生活和生产中发挥了重要作用。


室温离子液体的广泛应用,使得科学家们对其分子水平特性产生了浓厚的兴趣,因此,关于这方面系统的实验和计算研究在近几十年呈爆发式增长。但是,室温离子液体的本身结构和组成在计算机模拟中却很少被分析,目前室温离子液体分子水平的界面结构仍然存在“双层结构”和“棋盘结构”两种观点的争议。

为了进一步确定ILs分子的结构,来自天主教大学Helga Tóth Ugyonka等研究团队通过计算机模拟和分析的方法研究了四种由1-丁基-3-甲基咪唑(bmim+)阳离子分别与四氟硼酸阴离子(BF4-)、六氟磷酸阴离子(PF6-)、双(三氟甲基磺酸)亚胺阴离子(NTf2-)和三氟甲磺酸阴离子(TfO-)组成的ILs。研究咪唑基离子液体自由表面离子的空间组织,为理解离子液体界面的分子结构提供了新的见解。


研究团队对由bmim+与不同阴离子组成的四种离子液体的液-气界面进行分子动力学模拟,采用Doherty等人的非极性化和OPLS-基于全原子力场(DZGLA模型)进行建模,并考虑不同力场和电荷缩放的影响;使用ITIM分析方法识别模拟RTILs的结构表面,并从其分子和原子两个层面分析了界面层的组成;通过Voronoi分析方法研究了表面层内离子的自聚集行为。



离子液体表面的电荷分布分析,从分子层角度看,表面第一层阳离子多于阴离子,第二层阴离子过量,但从原子层角度分析,表面主要由阳离子的非极性丁基链主导,阴离子更易接近表面,导致表面呈现微弱的负电荷。电荷密度分布显示,表面电荷分离很小,主要源于阴离子自身的电荷分布,其结构与“双层结构”不相符合。
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