journal article·2014-01-28

Densification of Ionic Liquid Molecules within a Hierarchical Nanoporous Carbon Structure Revealed by Small-Angle Scattering and Molecular Dynamics Simulation

José Leobardo Bañuelos, Guang Feng, Pasquale F. Fulvio, Song Li, Gernot Rother, Sheng Dai, Peter T. Cummings, David J. Wesolowski

Chemistry of Materials· Volume 26· Issue 2
Publisher page

Abstract

The molecular-scale properties of the room temperature ionic liquid (RTIL) 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethylsulfonyl) imide, [C 4 mim + ][Tf 2 N – ], confined in nanometer-scale carbon pores have been investigated using small-angle X-ray and neutron scattering and fully atomistic molecular dynamics simulations. [C 4 mim + ][Tf 2 N – ] densities significantly higher than that of the bulk fluid at the same temperature and pressure result from the strong affinity of the RTIL cation with the carbon surface during the initial filling of slitlike, subnanometer micropores along the mesopore surfaces. Subsequent filling of cylindrical ∼8 nm mesopores in the mesoporous carbon matrix is accompanied by weak RTIL densification. The relative size of the micropores compared to the ion dimension, and the strong interaction between the RTIL and the slit-like micropore, disrupt the bulk RTIL structure. This results in a low-excluded volume, high-RTIL ion density configuration. The observed interfacial phenomena are simulated using a molecular dynamics model consisting of a linear combination of mesopore and micropore effects. These observations highlight the importance of including the effects of a porous substrate’s internal surface morphology, especially roughness and microporosity, on the resulting electrolyte structural properties and performance in electrical energy storage applications.
Source: openalex_inverted_index · Quality: baseline

Research context

OpenAlex topics: Ionic liquids properties and applications · Supercapacitor Materials and Fabrication · Electrochemical Analysis and Applications

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Chemical Sciences Division, Oak Ridge National Laboratory, Oak Ridge, Tennessee 37831, United States

Department of Chemical and Biomolecular Engineering, Vanderbilt University, Nashville, Tennessee 37235, United States

References (93)

Show source-provided references
1. Arico A. S. · Nat. Mater. · 2005 · 4 · 36610.1038/nmat1368 ↗
2. Chmiola J. · Science · 2006 · 313 · 176010.1126/science.1132195 ↗
3. Choi B. G. · ACS Nano · 2012 · 6 · 402010.1021/nn3003345 ↗
4. Jeong H.-K. · ACS Nano · 2010 · 4 · 116210.1021/nn901790f ↗
5. Kim T. Y. · ACS Nano · 2010 · 5 · 43610.1021/nn101968p ↗
6. Inagaki M. · J. Power Sources · 2010 · 195 · 788010.1016/j.jpowsour.2010.06.036 ↗
7. Liu C. · Nano Lett. · 2010 · 10 · 486310.1021/nl102661q ↗
8. Conway B. E. · 199910.1007/978-1-4757-3058-6 ↗
9. Cheng Q. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2011 · 13 · 1761510.1039/c1cp21910c ↗
10. Korenblit Y. · ACS Nano · 2010 · 4 · 133710.1021/nn901825y ↗
11. Pech D. · Nat. Nanotechnol. · 2010 · 5 · 65110.1038/nnano.2010.162 ↗
12. Wu Z.-S. · ACS Nano · 2011 · 5 · 546310.1021/nn2006249 ↗
13. Vu, A.; Li, X.; Phillips, J.; Han, A.; Smyrl, W. H.; Bühlmann, P.; Stein, A.Chem. Mater. 2013.
14. Kornyshev A. A. · J. Phys. Chem. B · 2007 · 111 · 554510.1021/jp067857o ↗
15. Wu J. · Soft Matter · 2011 · 7 · 1122210.1039/c1sm06089a ↗
16. Zhai Y. · Adv. Mater. · 2011 · 23 · 482810.1002/adma.201100984 ↗
17. Wang X. · Langmuir · 2008 · 24 · 750010.1021/la800529v ↗
18. Fulvio P. F. · Adv. Funct. Mater. · 2011 · 21 · 220810.1002/adfm.201002641 ↗
19. Castner E. W. · J. Chem. Phys. · 2010 · 132 · 12090110.1063/1.3373178 ↗
20. Annapureddy H. V. R. · J. Phys. Chem. B · 2010 · 114 · 1683810.1021/jp108545z ↗
21. Annapureddy H. V. R. · J. Phys. Chem. B · 2011 · 115 · 950710.1021/jp205051t ↗
22. Li S. · J. Phys. Chem. Lett. · 2011 · 3 · 12510.1021/jz2013209 ↗
23. Kislenko S. A. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2009 · 11 · 558410.1039/b823189c ↗
24. Wang S. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 99010.1021/jp902225n ↗
25. Vatamanu J. · J. Am. Chem. Soc. · 2010 · 132 · 1482510.1021/ja104273r ↗
26. Shim Y. · ACS Nano · 2010 · 4 · 234510.1021/nn901916m ↗
27. Singh R. · J. Phys. Chem. C · 2010 · 114 · 1547810.1021/jp1058534 ↗
28. Shim Y. · ACS Nano · 2009 · 3 · 169310.1021/nn900195b ↗
29. Wang J. · ACS Nano · 2008 · 2 · 254010.1021/nn800510g ↗
30. Feng G. · J. Phys. Chem. Lett. · 2011 · 2 · 285910.1021/jz201312e ↗
31. Wu P. · ACS Nano · 2011 · 5 · 904410.1021/nn203260w ↗
32. Monk J. · J. Phys. Chem. C · 2011 · 115 · 303410.1021/jp1089189 ↗
33. Merlet C. · Nat. Mater. · 2012 · 11 · 30610.1038/nmat3260 ↗
34. Feng G. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2011 · 13 · 115210.1039/C0CP02077J ↗
35. Israelachvili J. N. · 1992
36. Niu S. A. · J. Phys. Chem. B · 2010 · 114 · 87710.1021/jp909486z ↗
37. Perkin S. · Phys. Chem. Chem. Phys. · 2012 · 14 · 505210.1039/c2cp23814d ↗
38. Tokuda H. · J. Phys. Chem. B · 2005 · 109 · 610310.1021/jp044626d ↗
39. Fredlake C. P. · J. Chem. Eng. Data · 2004 · 49 · 95410.1021/je034261a ↗
40. Liu H. · J. Chem. Phys. · 2011 · 135 · 12450710.1063/1.3643124 ↗
41. Russina O. · J. Phys.: Condens. Matter · 2009 · 21 · 1
42. Bodo E. · J. Phys. Chem. B · 2010 · 114 · 1639810.1021/jp1093299 ↗
43. Canongia Lopes J. N. · J. Phys. Chem. B · 2004 · 108 · 203810.1021/jp0362133 ↗
44. Canongia Lopes J. N. · J. Phys. Chem. B · 2004 · 108 · 1125010.1021/jp0476996 ↗
45. Canongia Lopes J. N. · J. Phys. Chem. B · 2004 · 108 · 1689310.1021/jp0476545 ↗
46. Köddermann T. · ChemPhysChem · 2007 · 8 · 246410.1002/cphc.200700552 ↗
47. Zhao W. · Z. Phys. Chem. · 2007 · 221 · 164710.1524/zpch.2007.221.11-12.1647 ↗
48. Sing K. S. W. · Pure Appl. Chem. · 1985 · 57 · 60310.1351/pac198557040603 ↗
49. Maginn E. J. · J. Phys.: Condens. Matter · 2009 · 21 · 1
50. Maginn E. J. · Acc. Chem. Res. · 2007 · 40 · 120010.1021/ar700163c ↗
51. Lian J. · ACS Nano · 2009 · 3 · 374910.1021/nn900941e ↗
52. Zheng W. · ACS Nano · 2008 · 3 · 11510.1021/nn800713w ↗
53. Swatloski R. P. · J. Am. Chem. Soc. · 2002 · 124 · 497410.1021/ja025790m ↗
54. Samayam I. P. · Biomacromolecules · 2011 · 12 · 309110.1021/bm200736a ↗
55. Kang Y. J. · ACS Nano · 2012 · 6 · 640010.1021/nn301971r ↗
56. Wang X. Q. · Langmuir · 2008 · 24 · 750010.1021/la800529v ↗
57. Burrell A. K. · Green Chem. · 2007 · 9 · 44910.1039/b615950h ↗
58. Kline S. · J. Appl. Crystallogr. · 2006 · 39 · 89510.1107/S0021889806035059 ↗
59. Lindahl E. · J. Mol. Modell. · 2001 · 7 · 30610.1007/s008940100045 ↗
60. Borodin O. · J. Phys. Chem. B · 2009 · 113 · 1146310.1021/jp905220k ↗
61. Bedrov D. · J. Phys. Chem. B · 2010 · 114 · 498410.1021/jp911670f ↗
62. Yeh I. C. · J. Chem. Phys. · 1999 · 111 · 315510.1063/1.479595 ↗
63. Hess B. · J. Comput. Chem. · 1997 · 18 · 146310.1002/(SICI)1096-987X(199709)18:12<1463::AID-JCC4>3.0.CO;2-H ↗
64. Kruk M. · J. Colloid Interface Sci. · 1997 · 192 · 25010.1006/jcis.1997.5009 ↗
65. Jaroniec M. · Langmuir · 2006 · 22 · 675710.1021/la0609571 ↗
66. Choma J. · Microporous Mesoporous Mater. · 2008 · 112 · 57310.1016/j.micromeso.2007.10.039 ↗
67. Kruk M. · Chem. Mater. · 2001 · 13 · 316910.1021/cm0101069 ↗
68. Hu N. · J. Membr. Sci. · 2011 · 379 · 13810.1016/j.memsci.2011.05.053 ↗
69. Schaefer D. W. · J. Non-Cryst. Solids · 1995 · 186 · 15910.1016/0022-3093(95)00043-7 ↗
70. Schaefer D. W. · Phys. Rev. Lett. · 1986 · 56 · 219910.1103/PhysRevLett.56.2199 ↗
71. Guinier A. · 1955
72. Glatter O. · 1982
73. Porod G. · Kolloid Z · 1951 · 124 · 3210.1007/BF01512792 ↗
74. Ciccariello S. · J. Appl. Crystallogr. · 2007 · 40 · 28210.1107/S002188980700564X ↗
75. Beaucage G. · J. Appl. Crystallogr. · 1996 · 29 · 13410.1107/S0021889895011605 ↗
76. Teixeira J. · J. Appl. Crystallogr. · 1988 · 21 · 78110.1107/S0021889888000263 ↗
77. Bale H. D. · Phys. Rev. Lett. · 1984 · 53 · 59610.1103/PhysRevLett.53.596 ↗
78. Lin M. Y. · Phys. Rev. Lett. · 1994 · 72 · 220710.1103/PhysRevLett.72.2207 ↗
79. Wu W.-l. · Polymer · 1982 · 23 · 190710.1016/0032-3861(82)90216-6 ↗
80. Anderson J. L. · Acc. Chem. Res. · 2007 · 40 · 120810.1021/ar7001649 ↗
81. Stefanopoulos K. L. · Langmuir · 2011 · 27 · 798010.1021/la201261r ↗
82. Jaroniec C. P. · J. Phys. Chem. B · 1998 · 102 · 550310.1021/jp981304z ↗
83. Kruk M. · Langmuir · 1999 · 15 · 568310.1021/la981258u ↗
84. Santos L. M. N. B. F. · J. Am. Chem. Soc. · 2006 · 129 · 28410.1021/ja067427b ↗
85. Zaitsau D. H. · J. Phys. Chem. A · 2006 · 110 · 730310.1021/jp060896f ↗
86. Kelkar M. S. · J. Phys. Chem. B · 2007 · 111 · 942410.1021/jp073253o ↗
87. Fernandes A. M. · J. Phys. Chem. B · 2011 · 115 · 403310.1021/jp201084x ↗
88. Zhou H. · ACS Nano · 2012 · 6 · 981810.1021/nn303355b ↗
89. Perkin S. · Chem. Commun. · 2011 · 47 · 657210.1039/c1cc11322d ↗
90. Feng G. · J. Phys. Chem. Lett. · 2013 · 336710.1021/jz4014163 ↗
91. Gebbie M. A. · Proc. Natl. Acad. Sci. · 2013 · 110 · 967410.1073/pnas.1307871110 ↗
92. Perkin S. · Proc. Natl. Acad. Sci. · 2013 · 110 · E412110.1073/pnas.1314188110 ↗
93. Gebbie M. A. · Proc. Natl. Acad. Sci. · 2013 · 110 · E4122