Free volume in ionic liquids: a connection of experimentally accessible observables from PALS and PVT experiments with the molecular structure from XRD data‡

文献情報

出版日 2013-04-10
DOI 10.1039/C3CP43306D
インパクトファクター 3.676
著者

Yang Yu, Günter Dlubek, Reinhard Krause-Rehberg, Jürgen Pionteck, Dirk Pfefferkorn, Safak Bulut, Dana Bejan, Christian Friedrich


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要旨

In the current work, free volume concepts, primarily applied to glass formers in the literature, were transferred to ionic liquids (ILs). A series of 1-butyl-3-methylimidazolium ([C4MIM]+) based ILs was investigated by Positron Annihilation Lifetime Spectroscopy (PALS). The phase transition and dynamic properties of the ILs [C4MIM][X] with [X]− = [Cl]−, [BF4]−, [PF6]−, [OTf]−, [NTf2]− and [B(hfip)4]− were reported recently (Yu et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 6856–6868). In this subsequent work, attention was paid to the connection of the free volume from PALS (here the mean hole volume, 〈vh〉) with the molecular structure, represented by volumes derived from X-ray diffraction (XRD) data. These were the scaled molecular volume Vm,scaled and the van der Waals volume Vvdw. Linear correlations of 〈vh〉 at the “knee” temperature (〈vh〉(Tk)) with Vm,scaled and Vvdw gave good results for the [C4MIM]+ series. Further relationships between volumes from XRD data with the occupied volume Vocc determined from PALS/PVT (Pressure Volume Temperature) measurements and from Sanchez–Lacombe Equation of State (SL-EOS) fits were elaborated (Vocc(SL-EOS) ≈ 1.63 Vvdw, R2 = 0.981 and Vocc(SL-EOS) ≈ 1.12 Vm,scaled, R2 = 0.980). Finally, the usability of Vm,scaled was justified in terms of the Cohen–Turnbull (CT) free volume theory. Empirical CT type plots of viscosity and electrical conductivity showed a systematic increase in the critical free volume with molecular size. Such correlations allow descriptions of IL properties with the easily accessible quantity Vm,scaled within the context of the free volume.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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