Исследование строения ионных жидкостей и их растворов

Проект: исполнение гранта/договораисполнение гранта/договора в целом

описание

Как отмечено в аннотации, совместные исследования учёных Вильнюсского и Санкт-Петербургского университетов в исследовании ИЖ успешно развиваются. В 2016-2018 годах литовские учёные передали 7 образцов ИЖ в СПбГУ, что значительно расширило номенклатуру исследуемых объектов. По результатам совместных исследований опубликованы 2 статьи в журналах (WoS, Scopus) и сделаны приглашённые пленарные доклады на международной конференции «Спектроскопия координационных соединений» (г. Туапсе, 2017 и 2018 гг). В настоящее время по результатам исследований подготавливается ещё одна статья в журнал Journal of Physical Chemistry. Во всех публикациях соавтором с литовской стороны является профессор Vytautas Balevicius (h=13).
Во время визита планируется обсудить новые результаты и создать макет совместной статьи. Планируется уточнить план дальнейших исследований и представления результатов на международных конференциях.

описание для неспециалистов

Ионные жидкости (ИЖ) представляют собой расплавы органических солей, находящиеся в жидком состоянии в широком интервале низких температур (в ряде случаев ниже 100 °С). Для них характерна уникальность физико-химических свойств: практическое отсутствие давления насыщенных паров, термостабильность, негорючесть, способность растворять многие соединения, а также электрохимическая устойчивость и высокая электропроводимость. Все это делает ИЖ востребованными для многих областей науки и техники (растворители для катализа; электролиты для электроосаждения, аккумуляторы и суперконденсаторы; материалы для разделения и хранения газа; растворители для переработки ядерного топлива и многое другое). Возможность варьировать природу составляющих ионов позволяет целенаправлено регулировать многие свойства ионных жидкостей и их растворов. Однако, потенциал ИЖ в настоящее время не реализован из-за недостаточного понимания особенностей молекулярного движения компонентов, составляющих эти вещества.
В данной работе получены новые сведения о молекулярной подвижности в ионных жидкостях. В прошлом году цель работы состояла в том, чтобы получить информацию о времени переориентации катионов и их отдельных молекулярных групп, которая может быть получена в наиболее полном виде из данных по ядерной магнитной релаксации. Были изучены температурные зависимости скоростей спин-решеточной релаксации ядер углерода (13C) и водорода (1H). В текущем году основное внимание было уделено трансляционной подвижности катионов в чистых ИЖ, а также катионов и молекул воды в водных растворах, для чего были измерены коэффициенты диффузии методом ЯМР в интервале температур 5÷80оС, что важно для практических применений.
Полученные данные позволяют сформулировать, в частности, следующие результаты:
1. В чистых ИЖ коэффициенты диффузии катиона [bmim]+ уменьшаются в присутствии различных анионов в последовательности: BF4– ≈ TfO–→NO3–→I–→Br–→Cl–. Этот порядок согласуется с установленными ранее закономерностями в поведении вращательной подвижности, однако корреляция ухудшается при низких температурах.
2. На основе полученных результатов подвергнута критике гипотеза японских учёных о существовании «водных карманов» в растворах ИЖ и предложена новая модель распределения молекул воды в растворах ИЖ.
Результаты будут представлены в двух докладах на XVI Международной конференции «Спектроскопия координационных соединений». Сентябрь 2019 года, г. Туапсе. Готовится статья в Journal of Physical Chemistry.

основные результаты по проекту в целом

Для ионных жидкостей (ИЖ) характерна уникальность физико-химических свойств: практическое отсутствие давления насыщенных паров, термостабильность, негорючесть, способность растворять многие соединения, а также электрохимическая устойчивость и высокая электропроводимость. Все это делает ИЖ востребованными для многих областей науки и техники (растворители для катализа; электролиты для электроосаждения, аккумуляторы и суперконденсаторы; материалы для разделения и хранения газа; растворители для переработки ядерного топлива и многое другое). Возможность варьировать природу составляющих ионов позволяет целенаправлено регулировать многие свойства ионных жидкостей и их растворов. Однако, потенциал ИЖ в настоящее время не реализован из-за недостаточного понимания особенностей молекулярного движения компонентов, составляющих эти вещества. В совместных работах с научной группой профессора физического факультета Вильнюсского университета В. Балевичиуса (Vytautas Balevicius) получены новые сведения о молекулярной подвижности в ионных жидкостях. В прошлом году цель работы состояла в том, чтобы получить информацию о времени переориентации катионов и их отдельных молекулярных групп, которая может быть получена в наиболее полном виде из данных по ядерной магнитной релаксации. Были изучены температурные зависимости скоростей спин-решеточной релаксации ядер углерода (13C) и водорода (1H). В текущем году основное внимание было уделено трансляционной подвижности катионов в чистых ИЖ, а также катионов и молекул воды в водных растворах, для чего были измерены коэффициенты диффузии методом ЯМР в интервале температур 5÷80оС, что важно для практических применений.
Полученные данные позволяют сформулировать, в частности, следующие результаты:
1. В чистых ИЖ коэффициенты диффузии катиона [bmim]+ уменьшаются в присутствии различных анионов в последовательности: BF4– ≈ TfO– → NO3– → I– → Br– →< Cl–. Этот порядок согласуется с установленными ранее закономерностями в поведении вращательной подвижности, однако корреляция ухудшается при низких температурах.
2. На основе полученных результатов подвергнута критике высказанная в 2014 году гипотеза японских учёных о существовании «водных карманов» в растворах ИЖ и предложена новая модель распределения молекул воды в растворах ИЖ.
Проводимые исследования связаны с выполнением гранта РФФИ 17-03-00057а «Локальный порядок, в том числе наноструктурная организация, и молекулярная подвижность в ионных жидкостях и их растворах по данным ЯМР и компьютерного моделирования»( Id: 40063521; 700 тыс. руб.)
Публикации в текущем году:
1) Sergei S. Bystrov, Vladimir V. Matveev, Yurii S. Chernyshev, Vytautas Balevičius, and Vladimir I. Chizhik. Molecular Mobility in a Set of Imidazolium-based Ionic Liquids [bmim]+A- by NMR-Relaxation Method. J. Phys. Chem., B. 2019. DOI: 10.1021/acs.jpcb.8b11250.
2) Laurynas Dagysa, Sergejus Balčiūnas, Jūras Banys, Feliksas Kuliešius, Vladimir Chizhik, Vytautas Balevicius. CP MAS kinetics and microwave spectroscopy study of local disorder in low-dimensional H-bonded proton-conducting materials. Lithuanian Journal of Physics (Послана в печать).
3) Sergei S. Bystrov, Vladimir V. Matveev, Andrey V. Egorov, Yurii S. Chernyshev, Vytautas Balevičius, and Vladimir I. Chizhik .Translational diffusion in a Set of Imidazolium-based Ionic Liquids [bmim]+A- investigated by NMR Relaxation and Molecular Dynamics Simulation. J. Phys. Chem., B. (Подготовлена к печати)
Доклады на XV Международной конференции «Спектроскопия координационных соединений». 30 сентября – 6 октября 2018 года, г. Туапсе (http://www.spec-complex.kubsu.ru/):
1) В.И. Чижик, V. Balevicius, С.С. Быстров, В.В. Матвеев, Ю.С. Чернышев. Локальная молекулярная подвижность в ионных жидкостях типа [bmim]+A- и их растворах. (Пленарный доклад) Тезисы. Стр. 48-49.
2) С.С. Быстров, V. Balevicius. Трансляционная диффузия в ионных жидкостях на основе катионов имидазолия. (Устный доклад) Тезисы. Стр. 83-84.
Приняты доклады на XVI Международную конференцию «Спектроскопия координационных соединений». 16 – 21 сентября 2019 года, г. Туапсе:
1) V. I. Chizhik, V. V. Matveev, S. S. Bystrov, V. Balevicius, Yu. S. Chernyshev. The problem of "water pockets" in mixtures of ionic liquids with water. (Пленарный доклад)
2) С.С. Быстров, А.В. Егоров, Ю.С. Чернышев, V. Balevicius. Диффузионное движение в растворах ионных жидкостей [bmim]+A- по данным методов ямр и компьютерного моделирования. (Устный доклад)
Короткий заголовокИсследование ИЖ
АббревиатураExchange 2019_1
СтатусЗавершено
Действительная дата начала/окончания20/05/1930/05/19

Ключевые слова

  • ионные жидкости,
  • ядерный магнитный резонанс,
  • диффузия,
  • молекулярная динамика