Міжчастинкові взаємодії та динаміка у розчинах BmimBF4 і LiBF4 у пропіленкарбонаті: МД моделювання

doi:10.26565/2220-637X-2019-33-04

Dmytro S. Dudariev Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0002-2556-8036
Kate O. Logacheva Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0001-7826-8320
Yaroslav V. Kolesnik Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0002-9569-4556
Oleg N. Kalugin Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна https://orcid.org/0000-0003-3273-9259

DOI: https://doi.org/10.26565/2220-637X-2019-33-04

Ключові слова: 1-бутил-3-метилімідазолій тетрафтороборат, літій тетрафтороборат, пропіленкарбонат, молекулярно-динамічне моделювання, ефекти поляризації, мікроструктура, мікродинаміка, сольватна оболонка

Анотація

Іонні рідини набули великої популярності в останні десятиліття завдяки комплексу унікальних властивостей. Попри широке використання сумішей іонних рідин з апротонними диполярними розчинниками в електрохімії, актуальним залишається прогнозування їх макроскопічних, в першу чергу транспортних, властивостей виходячи з мікроскопічної картини всієї сукупності міжчастинкових взаємодій у таких системах. Метод молекулярно-динамічного моделювання (МДМ) є одним з найбільш потужних інструментів вирішення подібного роду завдань. Однак, однією з невирішених проблем класичного МДМ іон-молекулярних систем є коректне урахування ефектів поляризації. Останнім часом для її вирішення було запропоновано використовувати варіацію ефективних зарядів іонів в розчинах.

У даній роботі представлені результати МДМ структурних і динамічних властивостей розчинів 1‑бутил-3-метілімідазолій (BmimBF₄) та літій (LiBF₄) тетрафтороборатів в пропіленкарбонаті (PC) при 298.15 К в NPT ансамблі з використанням програмних пакетів GROMACS і MDNAES.

Показана можливість відтворення експериментальних динамічних властивостей (коефіцієнтів дифузії катіонів і розчинника, в'язкості, а також електричної провідності) бінарних систем на основі сумішей іонних рідин з PC в широкому інтервалі концентрацій з урахуванням ефектів поляризації шляхом зменшення парціальних зарядів на атомах іонів.

Структура сольватної оболонки катіонів була вивчена в рамках функцій радіального розподілу, розподілу координаційних чисел, а також наявності водневих зв'язків між органічним катіоном і молекулами розчинника. Результати вказують на більш міцну і структуровану сольватну оболонку катіона Li⁺ в порівнянні з Bmim⁺, що узгоджується з висновками про рухливості цих катіонів. Часи переорієнтації молекул пропіленкарбонату і часи їхнього життя в перших сольватних оболонках катіонів виявилися в кілька разів вищими для літій катіону.

Завантаження

##plugins.generic.usageStats.noStats##

Посилання

Hallett J.P., Welton T. Room-Temperature Ionic Liquids: Solvents for Synthesis and Cataly-sis. Chem. Rev. 2011, 111, 3508-3576.

Torimoto T., Tsuda T., Okazaki K.I., Kuwabata S. New Frontiers in Materials Science Opened by Ionic Liquids. Adv. Mater. 2010, 22, 1196-1221.

Olivier-Bourbigou H., Magna L., Morvan D. Ionic liquids and catalysis: recent progress from knowledge to applications. Appl. Catal. A 2010, 373, 1-56.

MacFarlane D.R., Forsyth M., Howlett P.C., Pringle J.M., Sun J., Annat G., Neil W., Izgorodina E.I. Ionic Liquids in Electrochemical Devices and Processes: Managing Interfacial Electrochemistry. Acc. Chem. Res. 2007, 40, 1165-1173.

MacFarlane D.R., Tachikawa N., Forsyth M., Pringle J.M., Howlett P.C., Elliott G.D., Davis H.J., Watanabe M., Simon P., Angell C. Energy applications of ionic liquids. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 232-250.

Nishida T., Tashiro Y., Yamamoto M. Physical and electrochemical properties of 1-alkyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate for electrolyte. J. Fluor. Chem. 2003, 120, 135-141.

Kalugin O.N., Voroshylova I.V., Riabchunova A.V., Lukinova E.V., Chaban V.V. Conducto-metric Study of Binary Systems Based on Ionic Liquids and Acetonitrile in a wide Concentra-tion Range. Electrochim. Acta 2013, 105, 188-199.

Marcus Y., Hefter G. Ion Pairing. Chem. Rev. 2006, 106, 4585-4621.

Dommert F., Schmidt J., Qiao B., Zhao Y., Klekeler C., Delle Site L., Berger R., Holm C. Comparative Study of Two Classical Force Fields on Statics and Dynamics of [EMIM][BF4] Investigated Via Molecular Dynamics Simulations. J. Chem. Phys. 2008, 129, 224501.

Gkagkasa K., Ponnuchamyb V., Dašićc M., Stankovićc I. Molecular dynamics investigation of a model ionic liquid lubricant for automotive applications. Tribol. Int. 2017, 113, 83-91.

Thomas M., Sancho Sanz I., Holloczki O., Kirchner B. Ab initio molecular dynamics simula-tions of ionic liquids. In NIC Symposium 2016, Julich, Germany, Feb 11-12, 2016; Binder K., Muller M., Kremer M., Schnurpfeil A., Eds.; Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbiblio-thek, pp 117-124.

Yan T., Burnham C.J., Del Pópolo M.G., Voth G.A. Molecular Dynamics Simulation of Ionic Liquids: The Effect of Electronic Polarizability. J. Phys. Chem. B 2004, 108 (32), 11877 11881.

Batista M.L.S., Coutinho J.A.P., Gomes J.R.B. Prediction of Ionic Liquids Properties through Molecular Dynamics Simulations Curr. Phys. Chem. 2014, 4 (2), 151-172.

Fatemi S.M., Foroutan M. Recent findings about ionic liquids mixtures obtained by molecu-lar dynamics simulation J. Nanostructure Chem. 2015, 5 (3), 243-253.

Docampo-Álvarez B., Gómez-González V., Montes-Campos H., Otero-Mato J.M., Méndez-Morales T., Cabeza O., Gallego L.J., Lynden-Bell R.M., Ivaništšev V.B., Fedorov, M.V., Varela L.M. Molecular dynamics simulation of the behaviour of water in nano-confined ionic liquid–water mixtures. J. Phys.: Condens. Matter 2016, 28, 464001.

Dasari S., Mallik B.S. Biosolvation Nature of Ionic Liquids: Molecular Dynamics Simulation of Methylated Nucleobases in Hydrated 1-Ethyl-3-methylimidazolium Acetate. ACS Omega 2018, 3 (7), 8344-8354.

Pratik D., Jindal K.S. Recent advances in molecular simulations of ionic liquid–ionic liquid mixtures. COGSC 2019, 18, 90-97.

Gómez-González V., Docampo-Álvarez B., Otero-Mato J.M., Cabeza O., Gallego L.J,, Varela L.M. Molecular dynamics simulations of the structure of mixtures of protic ionic liquids and monovalent and divalent salts at the electrochemical interface. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 12767 12776.

Bedrov D., Piquemal J.-P., Borodin O., MacKerell A.D., Roux B., Schröder C. Molecular Dy-namics Simulations of Ionic Liquids and Electrolytes Using Polarizable Force Fields. Chem. Rev. 2019, 119, 7940-7995.

Bhargava B.L., Balasubramanian S. Refined Potential Model for Atomistic Simulations of Ionic Liquid [Bmim][PF6]. J. Chem. Phys. 2007, 127, 114510.

Köddermann T., Paschek D., Ludwig R. Molecular Dynamic Simulations of Ionic Liquids: A Reliable Description of Structure, Thermodynamics and Dynamics. Chemphyschem 2007, 8, 2464-2470.

Cadena C., Zhao Q., Snurr R.Q., Maginn E.J. Molecular Modeling and Experimental Studies of the Thermodynamic and Transport Properties of Pyridinium-Based Ionic Liquids. J. Phys. Chem. B 2006, 110, 2821-2832.

Mondal A., Balasubramanian S.J. Quantitative prediction of physical properties of imida-zolium based room temperature ionic liquids through determination of condensed phase site charges: a refined force field. Phys. Chem. 2014, 118, 3409-3422.

Chernozhuk T.V., Kalugin O.N., Kolesnik Ya.V. Microstructure and dynamics of single charged ions in propylene carbonate. Kharkov Univ. Bull. Chem. Ser. 2013, 22 (45), 25-38.

Koverga V.A., Voroshylova I.V., Smortsova Y., Miannay F.A., Cordeiro N., Idrissi A., Kalugin O.N. Local structure and hydrogen bonding in liquid γ-butyrolactone and propylene carbonate: A molecular dynamics simulation. J. Mol. Liq. 2019, 287, 110912.

Abraham M.J., Murtola T., Schulz R., Pall S., Smith J.C., Hess B., Lindahl E. GROMACS: High Performance Molecular Simulations Through Multi-Level Parallelism from Laptops to Supercomputers. SoftwareX 2015, 1-2, 19-25.

Kalugin O.N., Kolesnik Ya.V. MDNAES: the program set for computer simulation of ion-molecular systems by using molecular dynamics method. Kharkov Univ. Bull. Chem. Ser. 1999, 4 (27), 58-79.

Koverga V., Kalugin O.N., Miannay F.A., Smortsova Y., Goloviznina K., Marekha B., Jedlovszky P., Idrissi A. The local structure in the BmimPF6/acetonitrile mixture: the charge distribution effect. Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20, 21890-21902.

Brehm M., Kirchner B. TRAVIS - a free analyzer and visualizer for Monte Carlo and molecu-lar dynamics. J. Chem. Inf. Model. 2011, 51 (8), 2007-2023.

Hess B. Determining the shear viscosity of model liquids from molecular dynamics simula-tions. J. Chem. Phys. 2002, 116, 209-217.

Hansen J.P., McDonald I.R. Statistical mechanics of dense ionized matter. IV. Density and charge fluctuations in a simple molten salt. Phys. Rev. A 1975, 11, 2111-2123.

Ryabchunova A.V., Gavryukova E.O., Kirichenko A.A., Kalugin O.N. Electrical conductivity of solutions of imidazolium ionic liquids in propylene carbonate over a wide range of concen-trations. In Modern problems of electrochemistry: education, science, production: a collection of scientific works, Proceedings of the VII Ukrainian Congress of Electrochemistry, Kharkiv, Ukraine, Sep 21-25, 2015; Omelchuk A.O., Sahnenko M.D., Eds.; Kharkiv: NTU "KhPI", 2015, pp 155-156.

Varlamova T.M., Yurina E.S. Lithium perchlorate (tetrafluoroborate)-diethyl carbonate-propylene carbonate electrolyte systems. Russ. J. Phys. Chem. 2006, 80, 1265-1268.

Marekha B.A., Kalugin O.N., Bria M., Buchner R., Idrissi A. Translational Diﬀusion in Mix-tures of Imidazolium ILs with Polar Aprotic Molecular Solvents. J. Phys. Chem. B 2014, 118, 5509-5517.

Phuoc H.L., Tran A.T., Walczyk D.J., Miller A.M., Yu L. Conductivity, viscosity, and ther-modynamic properties of propylene carbonate solutions in ionic liquids. J Mol. Liq. 2017, 246, 215-220.

Richardson P.M., Voice A.M., Ward I.M. Pulsed-Field Gradient NMR Self Diffusion and Ionic Conductivity Measurements for Liquid Electrolytes Containing LiBF4 and Propylene Carbonate. Electrochim. Acta 2014, 130, 606-618.

Grabowski S.J. Weak to Strong Hydrogen Bonds. In Hydrogen Bonding - New Insights. Dordrecht: Springer, 2006; pp 149-192.