Project

molecular dynamics simulations; ionic liquids; vibrational density of states; charge transport; neutron scattering; proton dynamics; quasielastic neutron scattering; hydrogen bonds

Lead
Ionische Flüssigkeiten (Ionic Liquids = ILs) sind Salze mit einem Schmelzpunkt unter 100 oC. Das große Anwendungsspektrum dieser Flüssigkeiten umfasst unter anderem ihren Einsatz als flüssige Elektrolyte in energierelevanten Anwendungen, z.B. in Batterien. Der Ladungstransport in solchen Elektrolyten wird wesentlich durch die Mobilität der involvierten Ionen beeinflusst. Ein detailliertes Verständnis der Dynamik der Ionen in Ionischen Flüssigkeiten ist Voraussetzung für einen gezielten Einsatz dieser Fluide bzw. für das Design solcher Flüssigkeiten.
Lay summary
Inhalt und Ziel des Forschungsprojektes   Das Ziel des Forschungsprojektes besteht in der Untersuchung aller relevanten dynamischen Prozesse in den entsprechenden Ionischen Flüssigkeiten mit Hilfe quasielastischer und inelastischer Neutronenstreuung. Die Verwendung einer Vielzahl von Spektrometern erlaubt es einen großen dynamische Bereich abzudecken. Zeitgleich werden die zu untersuchenden Systeme mittels molekulardynamischer (MD) Simulationen beschrieben. Diese Simulationen decken den durch Neutronenstreuung zugänglichen dynamischen Bereich ab und erlauben daher ein tieferes Verständnis der Streudaten. Dabei stehen folgende wissenschaftlichen Fragen im Vordergrund: (i) wie wird die Innendynamik durch die Anzahl der potenziellen Wasserstoffbrückenbindungen beeinflusst, (ii) welche Auswirkungen hat die Stärke der Wasserstoffbrückenbindungen auf die Ionendynamik und (iii) wie sieht der Protonentransportmechanismus in der zu untersuchenden Ionischen Fluten aus?     Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsvorhabens   Unser Forschungsprojekt wird zu einem tieferen Verständnis der molekularen Prozesse in Ionischen Flüssigkeiten beitragen und damit u.a. zu einem gezielten Design neuer, anwendungsorientierter (z.B. im Rahmen energierelevanter Anwendungen) Ionischer Fluide führen.     Keywords   Ionic Liquids, Molecular dynamics simulations, Neutron scattering, Charge transport, Hydrogen Bonds, Vibrational density of States, Quasielastic Neutron Scattering

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Last update: 23.10.2015

Proton Dynamics in Protic Ionic Liquids

Author	Embs, Jan Peter; Burankova, Tatsiana; Hempelmann, Rolf; Ollivier, Jacques
Publication date	12.06.2017
Persistent Identifier (PID)	https://doi.org/10.5291/ILL-DATA.6-05-861
Repository	Institute Laue Langevin

Active participation

The main purpose of this project is to study dynamical processes in selected Ionic Liquids using neu-tron scattering techniques. Neutron scattering allows for accessing relaxational and vibrational dy-namics as well as diffusive motions. Molecular Dynamics simulations will supplement the obtained experimental data. We feel very confident that the combination of neutron scattering data and MD simulation results will enable a thorough understanding of the relevant dynamical processes emerging in Ionic Liquids.The neutron scattering experiments will be performed using different time-of-flight spectrometers. The use of instruments with different energy resolutions and divers dynamical ranges enables access to complementary information, and consequently gives a comprehensive picture of the dynamic land-scape on the selected IL systems. Ionic Liquids (ILs) are already used as electrolytes in energy relevant applications like batteries, superca-pacitors and fuel cells. The understanding of the molecular mechanism by which charge (proton) is transported is essential for designing new and better performing ILs. Neutron scattering techniques match the relevant time und length scales and are therefore the perfect tool for investigating these compounds. In addition neutron scattering is the tailored instrument to follow proton dynamics, due to the fact that hydrogen owns the largest incoherent scattering cross section of all elements. Finally deuteration will be used to highlight (or to weaken) the scattering contribution of specific components of the ions constituting the IL under investigation. The experiments we propose in this project will help to answer the following questions:•How does the presence of H-bonding sites influence the dynamics as seen by QENS and inelastic neutron scattering?•How does the low frequency vibrational dynamics reflect the cation-anion interaction? •Does the charge transport (proton dynamics) occur via proton hopping (Grotthuss mechanism) or vehicle mechanism? •How does the coherent/collective dynamics look like in these systems? The work planned in the framework of this project will be done on close collaboration with the group of Prof. R. Hempelmann (Saarland University, Germany) and in cooperation with Dr. M. González from the Institute Laue Langevin in Grenoble, France. The group of Prof. Hempelmann will synthesize and charac-terize all ionic liquids we intend to investigate. Together with Dr. González we will perform Molecular Dynamics simulations. The combination of both, neutron scattering experiments and Molecular Dynamics simulations will facilitate a unique approach to understand in great detail the dynamic processes in these important systems.