Ciecze jonowe: Aplikacje elektrochemiczne

Ciecze jonowe cieszą się dużym zainteresowaniem ze względu na ich wykorzystanie jako niewodnych elektrolitów w zastosowaniach elektrochemicznych. W tym kontekście ich przewodnictwo i stabilność elektrochemiczna są najważniejszymi właściwościami fizycznymi. Wraz z innymi właściwościami, takimi jak znikoma prężność par i niepalność, wydają się być idealnymi elektrolitami do wielu zastosowań, jak opisano i omówiono w rosnącej liczbie publikacji.¹

Przewodnictwo

Typowe wartości przewodnictwa mieszczą się w zakresie od 1,0 mS/cm do 10,0 mS/cm. Niedawno opisano materiały o przewodności powyżej 20 mS/cm oparte na kationie imidazoliowym: 1-etylo-3-metyloimidazoliowy tiocyjanian (Nr produktu 07424) i 1-etylo-3-metyloimidazoliowy dicyjanamid (Nr produktu  00796).

Oczywiście, roztwór typowej soli nieorganicznej, takiej jak chlorek sodu w wodzie, ma wyższą przewodność. Jeśli jednak porównamy inne właściwości tego roztworu z cieczami jonowymi, istotne wady stają się oczywiste: elektrolity wodne są ciekłe w mniejszym zakresie temperatur, a rozpuszczalnik woda jest lotny.

Stabilność elektrochemiczna

Kolejną ważną właściwością cieczy jonowych jest ich szerokie okno elektrochemiczne, które jest miarą ich stabilności elektrochemicznej wobec procesów utleniania i redukcji:

Okno elektrochemiczne jest wrażliwe na zanieczyszczenia: halogenki są utleniane znacznie łatwiej niż aniony molekularne (np. stabilne aniony zawierające fluor, takie jak bis(trifluorometylosulfonylo)imidek), w których ładunek ujemny jest delokalizowany w większej objętości. W konsekwencji zanieczyszczenie halogenkami prowadzi do znacznie niższej stabilności elektrochemicznej.

Stabilność kationów.

Stabilność anionów.

Przewodności i okna elektrochemiczne

Ciecz jonowa	Przewodność	Okno elektrochemiczne
a) Wysoce przewodząca
1-dicyjanamid etylo-3-metyloimidazoliowy	27 mS/cm	2.9 V
Tiocyjanian 1-etylo-3-metyloimidazoliowy	21 mS/cm	2.3 V
b) Stabilny elektrochemicznie
Bis(trifluorometylosulfonylo)imidek trietylosulfonium	8.2 mS/cm	5.5 V
N-Metylo-N-trioktyloamoniowy bis(trifluoro-metylosulfonylo)imidek	2.2 mS/cm	5.7 V
N-butylo-N-metylopirolidyniowy bis(trifluoro-metylosulfonylo)imidek	2.1 mS/cm	6.6 V
c) Combined Properties		&
1-tetrafluoroboran etylo-3-metyloimidazoliowy	12 mS/cm	4.3 V
Trifluorometylosulfonian 1-etylo-3-metyloimidazoliowy	8.6 mS/cm	4,3 V

Zastosowania cieczy jonowych

Wysokie przewodnictwo

Materiały wykazujące najwyższe przewodnictwo, tiocyjanian 1-etylo-3-metyloimi-dazoliowy i dicyjanamid wykazywały najniższą stabilność elektrochemiczną. Niemniej jednak, materiały te są dobrymi kandydatami do wykorzystania w każdym zastosowaniu, w którym wymagana jest wysoka przewodność w połączeniu ze stabilnością termiczną i brakiem lotności, np, Jodek 1-dodecylo-3-metyloimidazoliowy (nr produktu 18289) w barwnikowych ogniwach słonecznych.²

Wysoka stabilność

Najbardziej stabilne elektrochemicznie materiały o porównywalnie małej przewodności (bis(trifluorometylosulfonylo)imidek N-butylo-N-metylopirolidyniowy (nr produktu. 40963), bis(trifluorometylosulfonylo)imidek trietylosulfonium (Nr produktu. 08748), oraz bis(trifluorometylosulfonylo)imidek N-metylo-N-trioktyloamoniowy (Product No. 00797). Materiały te są dobrymi elektrolitami do stosowania w bateriach,³ ogniwach paliwowych,⁴ osadzaniu metali,⁵ i elektrochemicznej syntezie nanocząstek.⁶

Właściwości łączone

Dla zastosowań, w których wymagana jest przewodność i stabilność elektrochemiczna (np, superkondensatory⁷ lub czujniki⁸), ciecze jonowe na bazie imidazoliowej ze stabilnymi anionami (np. tetrafluoroboran lub trifluorometylosulfonian) są materiałami z wyboru.

Referencje

1. Trulove C, Mantz R. 2003. Ionic Liquids in Synthesis, Chapter 3.6: Electrochemical Properties of Ionic Liquids . Wiley-VCH. Weinheim:

2. Yamanaka N, Kawano R, Kubo W, Kitamura T, Wada Y, Watanabe M, Yanagida S. 2005. Ionic liquid crystal as a hole transport layer of dye-sensitized solar cells. Chem. Commun..(6):740. https://doi.org/10.1039/b417610c

3. Garcia B, Lavallée S, Perron G, Michot C, Armand M. 2004. Room temperature molten salts as lithium battery electrolyte. Electrochimica Acta. 49(26):4583-4588. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2004.04.041

4. Yanes EG, Gratz SR, Baldwin MJ, Robison SE, Stalcup AM. 2001. Capillary Electrophoretic Application of 1-Alkyl-3-methylimidazolium-Based Ionic Liquids. Anal. Chem.. 73(16):3838-3844. https://doi.org/10.1021/ac010263r

5. Zell CA, Freyland W. 2003. In Situ STM and STS Study of Co and Co?Al Alloy Electrodeposition from an Ionic Liquid. Langmuir. 19(18):7445-7450. https://doi.org/10.1021/la030031i

6. Scheeren CW, Machado G, Dupont J, Fichtner PFP, Texeira SR. 2003. Nanoscale Pt(0) Particles Prepared in Imidazolium Room Temperature Ionic Liquids:  Synthesis from an Organometallic Precursor, Characterization, and Catalytic Properties in Hydrogenation Reactions. Inorg. Chem.. 42(15):4738-4742. https://doi.org/10.1021/ic034453r

7. He L, Zhang W, Zhao L, Liu X, Jiang S. 2003. Effect of 1-alkyl-3-methylimidazolium-based ionic liquids as the eluent on the separation of ephedrines by liquid chromatography. Journal of Chromatography A. 1007(1-2):39-45. https://doi.org/10.1016/s0021-9673(03)00987-7

8. Zhou Y, Antonietti M. 2003. Synthesis of Very Small TiO2Nanocrystals in a Room-Temperature Ionic Liquid and Their Self-Assembly toward Mesoporous Spherical Aggregates. J. Am. Chem. Soc.. 125(49):14960-14961. https://doi.org/10.1021/ja0380998

9. Zhou Y, Antonietti M. 2004. A Series of Highly Ordered, Super-Microporous, Lamellar Silicas Prepared by Nanocasting with Ionic Liquids. Chem. Mater.. 16(3):544-550. https://doi.org/10.1021/cm034442w

10. Sato T, Masuda G, Takagi K. 2004. Electrochemical properties of novel ionic liquids for electric double layer capacitor applications. Electrochimica Acta. 49(21):3603-3611. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2004.03.030