title: Aufklärung von Selbstorganisationsprozessen an Grenzflächen Ionischer Flüssigkeiten
title: Rationalization of self-organization processes at Ionic Liquid interfaces
Creators: name: Trzeciak, Simon
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Molecular Dynamics
subject: Self-Organization
subject: Ionic Liquids
subject: Heterogeneous Catalysis
subject: SCILL
subject: SILP
subject: QEq

description: Die Untersuchung des Selbstorganisationsverhaltens ionischer Flüssigkeiten (ILs) und ihrer Interaktionen mit Grenzflächen liefert wertvolle Einblicke in die molekulare Struktur, die daraus resultierenden Materialeigenschaften und potenzielle Anwendungen. Durch die systematische Variation von Kationsubstituenten und Anionen konnten grundlegende Mechanismen aufgeklärt werden, wie etwa die Beeinflussung der Oberflächenspannung und die Strukturierung von ILs. Eine Verlängerung der Kationalkylsubstituenten führt typischerweise zu einer Verringerung der Oberflächenspannung, während polare Seitengruppen oder amphiphile Anionen diesen Effekt abschwächen können. An Grenzflächen entstehen strukturierte Schichten, die sich bis ins Innere der Flüssigkeit erstrecken und die molekulare Organisation maßgeblich bestimmen. An Fest-Flüssig-Grenzflächen adsorbieren ILs bevorzugt an Defektstellen von Metallsubstraten. Temperaturinduzierte Prozesse wie strukturelle Reorientierungen beeinflussen die Kompressibilität und Dichte der ionischen Filme. Insbesondere die Flexibilität bestimmter Anionen und nicht-aromatischer Kationen ermöglicht adaptive Konformationsänderungen und erleichtert Co-Adsorptionsprozesse. Diese Dynamik eröffnet Möglichkeiten zur gezielten Steuerung von Adsorptionsprozessen, etwa durch den „Squeeze-Out“-Effekt, der die Selektivität in katalytischen Systemen wie Solid Catalysts with Ionic Liquid Layer (SCILL) signifikant erhöht. Die Erkenntnisse lassen sich direkt auf Supported Ionic Liquid Phase (SILP)-Systeme übertragen, die eine präzise Positionierung katalytisch aktiver Zentren erfordern. Die Anpassung der IL-ähnlichen Eigenschaften von Katalysatorkomplexen ermöglicht dabei eine Optimierung von Reaktivität und Selektivität – sowohl für homogene Verteilungen als auch für gezielte Anreicherungen an Grenzflächen. Ein zentraler Fortschritt ist die Anwendung der QEq-Methode, die dynamisch veränderliche Partialladungen in Molekulardynamik-Simulationen berücksichtigt. Dies erweitert das Verständnis von Selbstorganisation und Adsorption bei elektrokatalytischen Prozessen, indem Polarisationseffekte sowohl an Metalloberflächen als auch in Legierungen präzise abgebildet werden. Die Kombination dieser Ansätze ermöglicht eine gezielte Feinabstimmung von Metallkatalysatorlegierungen und IL-Kombinationen, was insbesondere für die Modellierung komplexer Systeme wie SCILL, SILP und IL-beschichteter Elektroden von Bedeutung ist. Die Erkenntnisse zur molekularen Selbstorganisation, den dynamischen Prozessen an Grenzflächen und den Fortschritten in der Simulation eröffnen neue Möglichkeiten für die gezielte Wahl Ionischer Flüssigkeiten und deren vielseitige Anwendungen in katalytischen und elektrokatalytischen Systemen.
description: The investigation of the self-organization behavior of ionic liquids (ILs) and their interactions with interfaces provides valuable insights into their molecular structure, resulting material properties, and potential applications. By systematically varying cation substituents and anions, fundamental mechanisms have been elucidated, such as the influence on surface tension and the structuring of ILs. Extending the alkyl substituents on cations typically leads to a reduction in surface tension, while polar side groups or amphiphilic anions can mitigate this effect. At interfaces, structured layers form, extending into the bulk liquid and significantly determining its molecular organization. At solid-liquid interfaces, ILs preferentially adsorb at defect sites on metal substrates. Temperature-induced processes, such as structural reorientations, affect the compressibility and density of ionic films. Notably, the flexibility of certain anions and non-aromatic cations enables adaptive conformational changes and facilitates co-adsorption processes. This dynamic behavior offers opportunities for precise control of adsorption processes, such as the “squeeze-out” effect, which significantly enhances selectivity in catalytic systems like Solid Catalysts with Ionic Liquid Layer (SCILL). These findings are directly transferable to Supported Ionic Liquid Phase (SILP) systems, which require precise positioning of catalytically active centers. Tailoring the IL-like properties of catalyst complexes enables optimization of both reactivity and selectivity, whether for homogeneous distributions or targeted enrichment at interfaces. A key advancement is the application of the QEq method, which accounts for dynamically varying partial charges in molecular dynamics simulations. This approach enhances the understanding of self-organization and adsorption in electrocatalytic processes by accurately modeling polarization effects at metal surfaces and in alloys. The combination of these approaches allows for fine-tuning of metal catalyst alloys and IL combinations, which is particularly valuable for modeling complex systems such as SCILL, SILP, and IL-coated electrodes. Insights into molecular self-organization, dynamic interfacial processes, and advances in simulation techniques open new possibilities for the targeted selection of ionic liquids and their versatile applications in catalytic and electrocatalytic systems.