Влияние структуры протонных ионных жидкостей на их физико-химические свойства: компьютерное моделирование и эксперимент

Проанализировано влияние сольватационных (специфических и неспецифических) эффектов на предсказанные ранее квантово-химическим методом структурные модели ионных жидкостей в газовой фазе. Для учета сольватационных эффектов применялись два подхода. Проведение молекулярно-динамического (МД) моделирования ионных жидкостей обеспечило учёт специфической сольватации. Для оценки влияния неспецифической сольватации на структурно-энергетические характеристики ионных пар/кластеров использовалась модель поляризованного проводящего диэлектрического континуума (CPCM). Объектами исследования явились протонные ионные жидкостей на основе катионов пропиламмония (PrA), дипропиламмония (DPrA) и трипропиламмония (TPrA), содержащие в качестве противоиона – метансульфонат (MsO) и гидросульфат (SA) анионы. Некоторые расчетные характеристики для данных жидкостей были сравнены с характеристиками для апротонной ионной жидкости, содержащей катион тетрапропиламмония (TetPrA). Показано, что рассчитанные с применением модели СРСМ структуры ионных пар/кластеров во многом схожи со строением их в газовой фазе, однако водородные связи становятся более слабыми. Последовательность изменения параметров водородных связей в ионных парах/кластерах с рассматриваемыми анионами в зависимости от катиона как в газовой фазе, так и при учете сольватации в рамках модели CPCM аналогична. Ион-ионное взаимодействие в ионных парах с катионами PrA, DPrA и TPrA, содержащих один и тот же анион, гораздо сильнее, чем в ионной паре с катионом TetPrA и тем же анионом. Замена аниона SA на анион MsO в ионной паре/кластере c одним и тем же катионом приводит к усилению межионного взаимодействия. На основе данных МД моделирования рассчитаны численные параметры, характеризующие распределение ионов в объеме жидкости, вероятности образования водородных связей и средние числа водородных связей. Проанализировано влияние катиона/аниона на структурные характеристики ионной жидкости. Установлено, что переход от ионной пары к жидкости главным образом отражается на изменении структуры водородных связей. При оценке характера водородной связи в ионных жидкостях, в которых катион способен образовывать несколько водородных связей, наиболее корректные выводы можно сделать, опираясь на результаты молекулярно-динамического моделирования. Для жидкостей, катион которых имеет в своем составе только один «активный» (подвижный) протон, полученные данные методами квантовой химии и МД на качественном уровне вполне согласуются друг с другом. Продолжены работы по исследованию свойств синтезируемой ранее протонной ионной жидкости бис(трифторметилсульфонил)имида трипропиламмония в ограниченной геометрии полимерной матрицы. Методом отливки из растворов бис(трифторметилсульфонил)имида трипропиламмония в диметилацетамиде получены протонпроводящие мембраны на основе полибензимидазола при различном уровне допирования. Изучено фазовое поведение мембран, их термическая стабильность и удельная электропроводность. Показано, что полученные мембраны обладают хорошей термической стабильностью и высокой электропроводностью, что позволяет рассматривать их в качестве кандидатов для использования в среднетемпературных топливных ячейках.