Μελέτη της δομής των πρωτονιωμένων ιοντικών υγρών με χρήση δονητικής φασματοσκοπίας

Abstract

Ionic liquids (ILs) have received considerable attention due to their unique properties in applications in catalysis, electrochemistry, synthesis, analytical chemistry, and separations. They consist of organic cations and organic or inorganic anions and have melting points less than 100oC.Their interesting properties such as low melting points, extremely low vapor pressures, low viscosity, high electrochemical window, no flammability and the ability of being recycled depend on the intermolecular and inter-ionic interactions. Understanding how these interactions are affected by the IL cation alkyl substituents is of paramount importance in order to understand how the IL structure influences macroscopically measured properties and eventually design ILs with desired properties by tailoring their structure.The main interactions of between the PIL ions are Coulombic, van der Waals and hydrogen bonding. In order to understand the effect of these forces to their properties, I examined the effect of alkyl length chain and temperature on the structure of Protic Ionic Liquids (PILs) HCnImNTf2 (n=0-12) using vibrational spectroscopy (FT-Raman and FT-IR/ATR) and differential scanning calorimetry (DSC). A similar study was also carried to the alkali molten salts ANTf2 (A:Li-Cs). Finally the encapsulation of HC1ImNTf2 in zeolites was studied. The goal of this study was to increase the crystal conductivity to level that makes them suitable for PEM fuel cell applications.According to these studies, it was found that the ions interactive long range electrostatic interactions, van der Waals interaction, hydrogen bonds and pi-pi stacking interactions. Moreover, it was found that in PILs the cis conformation of the anion is favored with increasing temperatures, whereas, in case of alkaline molten salts MNTf2 (Li-Cs), trans conformation is dominant in the liquid state. Since the population of the two isomers is affected by the local environment of the anion it was concluded that the anion NTf2- can be used as an indirect mean of the interactions that occur in these systems.Finally, from the encapsulation of protic ionic liquid HMImNTf2 into the porosity of zeolite material, it was found that an ion exchange procedure take place between the cation HMIm+ of the ionic liquid and the cation Na+ of the zeolite. The electric conductivity of the zeolite crystals increased by three times under dry conditions

Τα ιοντικά υγρά (ΙΥ) έχουν κερδίσει το ενδιαφέρον των ερευνητών, λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους σε εφαρμογές κατάλυσης, ηλεκτροχημείας, σύνθεσης και αναλυτικής χημείας καθώς και σε μεθόδους διαχωρισμού. Πρόκειται για ιοντικές ενώσεις που αποτελούνται από οργανικά κατιόντα και οργανικά/ανόργανα ανιόντα, τα οποία εμφανίζουν χαμηλό σημείο τήξης Τm<100oC. Η δομή και οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ των ιοντικών υγρών καθορίζουν τις φυσικοχημικές τους ιδιότητες όπως είναι το χαμηλό σημείο τήξης, το χαμηλό ιξώδες, η χαμηλή τάση ατμών, η υψηλή αγωγιμότητα, η μη αναφλεξιμότητα αλλά και η δυνατότητα ανακύκλωσης. Η κατανόηση των διαμοριακών αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε αυτές τις δομές είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη αλλά και τη σχεδίαση των ιδιοτήτων τους. Για να κατανοηθεί η δομή και οι αλληλεπιδράσεις στην υγρή φάση, στην παρούσα εργασία, μελετήθηκαν πρωτονιωμένα ιοντικά υγρά (ΠΙΥ) HCnImNTf2 (n=0-12) καθώς επίσης και τα τήγματα των αλκαλικών αλάτων ΜNTf2 (Μ:Li-Cs). Επίσης παρουσιάζεται o εγκλωβισμός τους σε μικροπορώδη υλικά για εφαρμογή τους σε κελιά καυσίμου.Κύριο χαρακτηριστικό των πρωτονιωμένων ιοντικών υγρών είναι ότι πέραν των ηλεκτροστατικών δυνάμεων που αναπτύσσονται μεταξύ τους, τα ανιόντα και τα κατιόντα συνδέονται και με ισχυρούς δεσμούς υδρογόνου. Στα συστήματα αυτά μελετήθηκε η επίδραση της θερμοκρασίας στη δομή τους με χρήση δονητικής φασματοσκοπίας FT-IR και FT-Raman καθώς και με διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης. Από τη συγκεκριμένη μελέτη προέκυψε ότι στα συγκεκριμένα ιοντικά υγρά εμφανίζονται ηλεκτροστατικές και van der Waals αλληλεπιδράσεις, δεσμοί υδρογόνου καθώς και π-π αλληλεπιδράσεις. Επίσης διαπιστώθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασίας ευνοεί τη cis ισομέρεια του ανιόντος. Αντίθετα, στα τήγματα των αλάτων MNTf2 (Li-Cs) το ανιόν προτιμά την trans διαμόρφωση. Επίσης η μελέτη της επίδρασης του κατιόντος μελετώντας την επίδραση του κατιόντος στη δομή του ανιόντος οδήγησε στο συμπέρασμα ότι το ανιόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως εσωτερικός δείκτης των αλληλεπιδράσεων που λαμβάνουν χώρα στα ΙΥ. Κατά τη μελέτη των σύνθετων υλικών βρέθηκε ότι κατά την εισαγωγή του ιοντικού υγρού στους ζεόλιθους λαμβάνει χώρα ιονανταλλαγή μεταξύ του κατιόντος του HMIm+του ΠΙΥ και των κατιόντων Na+του ζεόλιθου. Επίσης, παρουσιάστηκε αύξηση της ιοντικής τους αγωγιμότητας σχεδόν τέσσερις φορές, σε σχέση με την αγωγιμότητα της άνυδρης κατάστασης των κρυστάλλων του ζεόλιθου.