Protonen Transfer in Protischen Ionischen Flüssigkeiten

• Antragsteller: Dr. Johannes Hunger
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 428338147

Obwohl bei Raumtemperatur flüssige Salze - ionische Flüssigkeiten - aufgrund ihres hohen Flammpunktes das Potenzial haben konventionelle Elektrolyte zu ersetzen, machen ihre hohe Viskosität den Ladungstransport für die meisten elektrochemischen Anwendungen zu langsam. Dieser Nachteil kann durch die Verwendung von protischen ionischen Flüssigkeiten umgangen werden, da in protischen ionischen Flüssigkeiten elektrische Ladungen nicht nur durch die Diffusion der großen und sperrigen Ionen erfolgt sondern auch durch den Transport von kleinen, leichten Protonen. Somit kann in protischen ionischen Flüssigkeiten die elektrische Leitfähigkeit durch die Entkopplung des Ladungstransports vom Stofftransport erhöht werden. Es ist allerdings extrem schwierig den Beitrag der Protonen – falls überhaupt vorhanden – zum Ladungstransport zu bestimmen. Der Beitrag der Protonen wurde bisher einerseits durch die Gleichgewichtsverteilung der Protonen in den Flüssigkeiten oder durch die Bestimmung der Mobilität aller Ladungsträger abgeschätzt. Da keine dieser Methoden die Mobilität der Protonen separieren kann, führten diese Studien zu inkonsistenten Ergebnissen.In diesem Projekt planen wir den Ladungstransport in protischen ionischen Flüssigkeiten auf allen relevanten Längen- und Zeitskalen zu untersuchen. Hierzu werden wir (i) den Beitrag der Protonen zur Leitfähigkeit durch eine Kombination von experimenteller Bestimmung und Simulationen der breitbandigen dielektrischen Spektren isolieren. Dazu werden wir reversiblen Protonentransfer in polarisierbaren Molekulardynamiksimulationen derart etablieren, dass Übereinstimmung mit den experimentellen Spektren vom Radiowellenbereich bis hin zum Ferninfrarotbereich erreicht wird. Hierzu werden wir uns auf Methylimidazolium-basierte ionische Flüssigkeiten und deren Mischungen mit Acetonitril fokussieren. Nach der Etablierung dieser Methodik, ist das Ziel dieses Projekts (ii) die Grundlagen des Protonentransports in protischen ionischen Flüssigkeiten zu ergründen. Dazu werden wir die Protonendonorenstärke des Anions der ionischen Flüssigkeiten mit Hilfe fluorierter Carbonsäuren variieren. Durch die in (i) entwickelte Methodik werden wir so den Einfluss er Verteilung der Protonen zwischen Kation und Anion auf die Protonenleitfähigkeit ergründen. Zusätzlich werden wir den weitreichenden Protonentransport durch gezielte Freisetzung von Protonen von Photosäuren und der Verfolgung des Protonentransports durch Infrarotdetektion in Echtzeit bestimmen.Die hier beschriebene Kombination von experimentellen Ergebnissen mit reaktiven, polarisierbaren Molekulardynamiksimulationen stellt eine neuartige Strategie dar um Ladungstransport in protischen ionischen Flüssigkeiten zu modellieren und zu verstehen. Die Ergebnisse werden vermutlich bei der Synthese von neuartigen Elektrolyten eine wichtige Rolle spielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christian Schröder