Low Frequency Mechanical Spectroscopy Study of Three Pyrrolidinium Based Ionic Liquids

• Autorzy: Trequattrini F. , Paolone A. , Palumbo O. , Vitucci F. M. , Navarra M. A. , Panero S.

Identyfikatory

DOI

10.1515/amm-2015-0064

Warianty tytułu

PL

Badania trzech cieczy jonowych na bazie pirolidyny metodą niskoczęstotliwościowej spektroskopii mechanicznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work we present our recent results on three ionic liquids (ILs), which share bis(trifluoromethanesulfonyl)imide (TFSI) as anion and have different pyrrolidinium based cations. By means of a combination of mechanical spectroscopy and thermal analysis, many of the physical processes occurring during cooling down from the liquid phase, can be studied. Depending both on the diverse cation and the different thermal history, crystallization from the melt or glass transition, cold-crystallization, solid-solid phase transitions and thermally activated processes are observed. In one of the ILs, which could be easily undercooled, a prominent thermally activated peak could be observed above the glass transition. The temperature dependence of the relaxation time is approximated by a Vogel-Fulcher-Tamman equation, as usual for fragile glass forming liquids, and the apparent activation energy of W = 0.36 eV with a pre-exponential factor of the relaxation time τ₀ = 1.7 · 10^-13s were derived supposing jumps between asymmetrical potential wells. The kinetics of the crystallization processes have been studied in the framework of the Johnson-Mehl-Avrami-Kolmogorov theory and the Avrami parameters have been derived for both the crystallization from the melt and for the cold crystallization observed on heating.

PL

W pracy przedstawiono najnowsze wyniki badań trzech cieczy jonowych (ILs), zbudowanych o anion bistriflimidowy (TFSI) i różne kationy pirolidyniowe. Za pomocą kombinacji spektroskopii mechanicznej i analizy termicznej można badać wiele procesów fizycznych występujących podczas schładzania z fazy ciekłej. W zależności od zróżnicowania kationów i różnic historii termicznej, można obserwować krystalizację cieczy lub zeszklenie, zimną krystalizację, przemiany fazowe w stanie stałym i procesy aktywowane termicznie. W jednej z ILs, którą można łatwo przechłodzić, obserwowano termicznie aktywowany pik powyżej temperatury zeszklenia. Zależność temperaturową czasu relaksacji aproksymowano równaniem Vogela-Fulchera-Tammana, co jest typowym podejściem stosowanym dla cieczy tworzących nietrwałe szkła, uzyskując pozorną energię aktywacji W = 0,36 eV i czas relaksacji τ₀ = 1.7 · 10^-13s przy założeniu przeskoków pomiędzy asymetrycznymi studniami potencjału. Kinetykę procesu krystalizacji badano w ramach teorii Johnson-Mehla-Avramiego-Kołmogorowa a parametry Avramiego zostały uzyskane zarówno dla krystalizacji z cieczy, jak i zimnej krystalizacji obserwowanej przy ogrzewaniu.

Słowa kluczowe

EN

ionic liquids; dynamic mechanical analysis; differential scanning calorimetry (DSC)

PL

ciecze jonowe; spektroskopia mechaniczna; różnicowa kalorymetria skaningowa

• Wydawca: Institute of Metallurgy and Materials Science of Polish Academy of Sciences ; Committee of Materials Engineering and Metallurgy of Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Metallurgy and Materials
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 60, iss. 1
• Strony: 385--390
• Opis fizyczny: Bibliogr. 13 poz. rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Trequattrini F.

• Physics Department, Sapienza University of Rome, P.Le A. Moro 5, 00185 Roma, Italy

autor

Paolone A.

• CNR-ISC, U.O.S. La Sapienza, P.Le A. Moro 5, 00185 Roma, Italy

autor

Palumbo O.

• CNR-ISC, U.O.S. La Sapienza, P.Le A. Moro 5, 00185 Roma, Italy

autor

Vitucci F. M.

• CNR-ISC, U.O.S. La Sapienza, P.Le A. Moro 5, 00185 Roma, Italy

autor

Navarra M. A.

• Chemistry Department, Sapienza University of Rome, P.Le A. Moro 5, 00185 Roma, Italy

autor

Panero S.

• Chemistry Department, Sapienza University of Rome, P.Le A. Moro 5, 00185 Roma, Italy

Bibliografia

• [1] B. Kirchner (ed.), Ionic Liquids. Topics in Current Chemistry 290, Springer, Berlin, 2009.
• [2] M. Armand, F. Endres, D. R. MacFarlane, H. Ohno, B. Scrosati, Ionic-liquid materials for the electrochemical challenges of the future, Nat. Mater. 8, 621-629 (2009).
• [3] A. Rivera, A. Brodin, A. Pugachev, E. A. Rössler, Orientational and translational dynamics in room temperature ionic liquids, J. Chem. Phys. 126, 114503-1-7 (2007).
• [4] C. Krause, J. R. Sangoro, C. Iacob, F. Kremer, Charge transport and dipolar relaxations in imidazolium-based ionic liquids, J. Phys. Chem. B 113, 10641-10649 (2009).
• [5] K. Nakamura, T. Shikata, Systematic dielectric and NMR study of the ionic liquid 1-Alkyl-3-Methyl imidazolium, Chem. Phys. Chem. 11, 285-294 (2010).
• [6] J. Pas, M. S. Dargusch, D. R. MacFarlane, Crystallization kinetics of some archetypal ionic liquids: isothermal and non-isothermal determination of the Avrami exponent, Phys. Chem. Chem. Phys. 13, 12033-12040 (2011).
• [7] M. A. Navarra, Ionic liquids as safe electrolyte components for Li-metal and Li-ion batteries, MRS Bull. 38, 548-553 (2013).
• [8] A. Martinelli, A. Matic, P. Jacobsson, L. Borjesson, Phase behavior and ionic conductivity in Lithium bi-(trifluoromethanesulfonyl)imide-doped ionic liquids of the pyrrolidinium cation and bis(trifluoromethanesulfonyl)imide anion, J. Phys. Chem. B 113, 11247-11251 (2009).
• [9] M. Kunze, M. Montanino, G. B. Appetecchi, S. Jeong, M. Schönhoff, M. Winter, S. Passerini, Melting behavior and ion-ic conductivity in hydrophobic ionic liquids, J. Phys. Chem. A 114, 1776-1782 (2010).
• [10] H. Tokuda, K. Hayamizu, K. Ishii, M. Susan, M. Watanabe, Physicochemical properties and structures of room temperature ionic liquids. 2, Variation of alkyl chain length in imidazolium cation, J. Phys. Chem. C 109, 6103-6110 (2005).
• [11] F. M. Vitucci, D. Manzo, M. A. Navarra, O. Palumbo, F. Trequattrini, S. Panero, P. Bruni, F. Croce, A. Paolone, Low-temperature phase transitions of 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide swelling a polyvinylidenefluoride electrospun membrane, J. Phys. Chem. C 118, 5749-5755 (2014).
• [12] F. Trequattrini, A. Paolone, O. Palumbo, F. M. Vitucci, Relax-ation dynamics and phase transitions in PYR14-TFSI, J. Phys. Chem. A, to be published.
• [13] K. F. Kelton, A. L. Greer, Nucleation in condensed matter, Elsevier, Amsterdam, 2010.