В рубрике #НаучныйХимтех Дунаев Анатолий Михайлович – к.х.н., доцент кафедры физики ИГХТУ.
Он рассказал о результатах работы их научной команды по гранту РНФ для молодых ученых (2021-2023 гг.)
«Аномальное испарение апротических ионных жидкостей на основе алкилимидазолия». Финансовая поддержка составила 4,5 млн рублей.
В настоящее время проблема поиска новых материалов для высокоэффективной энергетики весьма актуальна. Она обусловлена необходимостью перехода к возобновимым источникам энергии и повышению эффективности переработки и хранения энергии. Залогом успешного решения данной проблемы является использование полифункциональных материалов. Среди таких материалов благодаря своим уникальным свойствам особо выделяются ионные жидкости (ИЖ). Ионные жидкости применяются практически во всех отраслях энергетики, от производства электроэнергии до утилизации отработанного топлива. При этом большая часть технологических процессов проходит при повышенных температурах. В этом аспекте сведения о термической стабильности, составе пара и термодинамике испарения становятся ключевыми характеристиками необходимыми для моделирования и разработки новых материалов.
Как показывает изучение литературы, среди многообразия ионных жидкостей на основе алкилимидазолия наибольший интерес с точки зрения использования в энергетической отрасли имеют соединения с BF4–, PF6–, и DCA– анионами. Эти ионные жидкости разлагаются при испарении, однако продукты разложения не накапливаются в конденсированной фазе. Такое поведение апротических ионных жидкостей было отмечено впервые.
В рамках работ по гранту было проведено комплексное исследование особого класса ионных жидкостей на основе алкилимидазолия, претерпевающих аномальное испарение, что позволило a priori определять применимость таких ионных жидкостей для конкретной технологии энергетики, а также условия проведения технологических процессов. Кроме того, полученные термические, термохимические и структурные данные об объектах исследования позволяют проводить моделирование технологических процессов с участием ионных жидкостей и осуществлять направленный поиск наиболее эффективных представителей данного класса химических соединений.
Целью проекта стало экспериментальное изучение процесса испарения ионных жидкостей на основе алкилимидазолия и определение термохимических параметров компонентов насыщенного пара.
Исследованы процессы испарения и разложения ионных жидкостей на основе алкилимидазолия СnMImX (X = PF6, BF4, DCA; n = 2, 4, 6, 8). С использованием разнообразных структурных методов анализа, включающих ИК и ЯМР спектроскопию (Инфракрасная спектроскопия и спектроскопия ядерного магнитного резонанса) были определены состав исходных ИЖ, остатков после масс-спектрометрического эксперимента и продуктов разложения. Методами термического анализа определены пределы термической стабильности. Впервые методом высокотемпературной масс-спектрометрии проведено исследование молекулярного и ионного состава пара ИЖ в равновесных условиях. Установлено, что пар над этими ИЖ имеет сложный состав.
Помимо испарения в форме нейтральных ионных пар (НИП), данные ИЖ претерпевают разложение с образованием имидазол-2-илиденов, а также алкилимидазолов (в случае ИЖ с DCA– анионами). Принципиальной новизной проекта стала расшифровка состава пара над исследованными ИЖ и определение термодинамических характеристик испарения в равновесных условиях. Подобная процедура была осуществлена благодаря комплексному подходу, включающему кроме масс-спектрометрии Кнудсена ИК и ЯМР спектроскопию, ГХМС и данные квантово-химических расчетов. Полученная информация имеет важное значение и должна учитываться при обработке результатов определения давления насыщенного пара интегральными методами.
Высокоуровневыми методами квантовой химии для оптимальных конфигураций НИП рассчитаны колебательные спектры и с использованием методов статистической термодинамики в приближении ЖРГО вычислены термодинамические функции в состоянии идеального газа. Методом ИДР с использованием высокоуровневых расчетов композитным методом G4 рассчитаны энтальпии образования катионов алкилимидазолия ([CnMIm+] (n = 2, 4, 6, 8, 10)), а также наиболее часто применяемых при синтезе анионов NTf2–, TFO–, ES–, DCA–. Этим же методом определены энтальпии образования НИП заложенных в проект объектов. Для всех групп соединений предложены модели по определению термодинамических параметров в гомологических рядах.
Работа проводилась в лаборатории Высокотемпературной масс-спектрометрии ИГХТУ. В научный коллектив входил магистрант гр. 2/127 Коробов Михаил Александрович. Часть работ была выполнена с использованием центра коллективного пользования научным оборудованием ИГХТУ.
Результаты работ по проекту опубликованы в высокорейтинговых академических и международных журналах первого и второго квартиля, входящих в базы данных WoS и Scopus, и были представлены на международных и всероссийских конференциях.
Полученные результаты представляют прикладной интерес для органического синтеза, производства сенсибилизированных красителем солнечных батарей, топливных ячеек, а также в технологии безводного метода обессеривания нефтепродуктов и утилизации отработанного ядерного топлива. В дальнейшем планируется продолжать подобные исследования.