مطالعه نظری واکنش انتقال الکترون در آند باتری لیتیم-هوا با الکترولیت مایع یونی Cn(mim)22(NTF2): تاثیر طول زنجیره آلکیلی

مقتدایی, محمدمهدی; یگانگی, سعید; کیانپور, عفت

doi:10.22036/cr.2022.328968.1171

مطالعه نظری واکنش انتقال الکترون در آند باتری لیتیم-هوا با الکترولیت مایع یونی Cn(mim)22(NTF2): تاثیر طول زنجیره آلکیلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه شیمی فیزیک، دانشکده شیمی، دانشگاه مازندران، بابلسر، ایران

10.22036/cr.2022.328968.1171

چکیده

در این پژوهش سرعت انتقال الکترون واکنش آندی باتری‌ لیتیوم-هوا در حضور Cn(mim)22(NTF2)، مایعات یونی (ILs) دو کاتیونی بر پایه ایمیدازولیوم، به‌عنوان الکترولیت به‌صورت تئوری بررسی شد. برای این منظور ثابت سرعت انتقال الکترون (ket) فرایند مذکور بر اساس نظریه مارکوس محاسبه گردید. انرژی آزاد گیبس فرایند (ΔG0)، انرژی بازآرایی (λ) و انرژی جفت شوندگی الکترونی (VRP) کمیت‌های موردنیاز برای تخمین ket می‌باشند که با استفاده از روش تئوری تابعیت چگالی (DFT) محاسبه شدند. تمامی محاسبات با استفاده از روش DFT با عملگر تبادل-همبستگی B3LYP و مجموعه پایه 6-311++G** و با کمک نرم‌افزار NWchem انجام شد. نتایج نشان داد ket وابسته به ثابت دی‌الکتریک حلال است و با افزایش طول زنجیره کربنی جانبی در ساختار مایع یونی ثابت دی‌الکتریک و درنتیجه آن ket کاهش می‌یابد. مقادیر log(ket) محاسبه‌شده برای این ترکیبات در محدوده 1.312 تا 1.416 قرار دارد، که از مقادیر مرتبط با مایعات تک کاتیونی بزرگ‌تر می‌باشند. دستاوردهای این تحقیق جهت طراحی مایعات یونی با خواص مورد نظر حائز اهمیت است.

چکیده تصویری

کلیدواژه‌ها

موضوعات

شیمی فیزیک

عنوان مقاله [English]

Theoretical study of electron transfer reaction in the anode of Li-Air battery with Cn(mim)22(NTF2) ionic liquid electrolyte: Effect of alkyl chain length

نویسندگان [English]

Mohamad Mehdi Moghtadaei
Saeid Yeganegi
Effat Kianpour

Department of Physical Chemistry, Faculty of Chemistry, University of Mazandaran, P. O. Box 47416-9544, Babolsar, Iran.

چکیده [English]

In this research, the electron transfer rate of the anodic reaction of the lithium-air battery was theoretically investigated in the presence of the imidazolium-based dicationic ionic liquids (ILs), Cn(mim)22(NTF2), as an electrolyte. For this purpose, the electron transfer rate constant (ket) of the related reaction was calculated using Marcus' theory. Gibbs free energy of the reaction (ΔG0), reorganization energy (λ), and electron coupling energy (VRP) calculated using the density functional theory (DFT) method. All calculations performed using DFT with GGA/revPBE and B3LYP exchange-correlation functional and 6- 311++G** basis set, using NWchem software. Results show that the ket at the anode depends on the solvent dielectric constant. The longer alkyl chains in the ILs resulted in a decrease in dielectric constant and, consequently, a decrease in ket. Calculated ket values for dicationic ILs ranged from 1.312 to 1.416, which are higher values than those of mono-cationic ILs. The findings of this study are important because the ILs are green solvents with tunable properties.

کلیدواژه‌ها [English]

Density Functional Theory؛ Dicationic ionic liquids
؛ Electron Transfer Rate Constant
Gibbs Free Energy
Li-Air batteries

مراجع

M. Kampa, Castanas, E. Environ. Pollut. 151, 362, (2008).
E. Ferrero, S. Alessandrini, A. Balanzino, Appl. Energy 169, 450 (2016).
G. Girishkumar, B. McCloskey, A. C. Luntz, S. Swanson, W. Wilcke, J. Phys. Chem. Lett. 1, 2193 (2010).
K. Yoo, S. Banerjee, J. Kim, P. Dutta, Energies 10, 1748 (2017).
Q. Liu, Z. Chang, Z. Li, X. Zhang, Small Methods 2, 1700231 (2017).
J.-M. Tarascon, M. Armand, Mater. Renew. Sustain. Energy 171 (2010).
X.-B. Cheng, C.-Z. Zhao, Y.-X. Yao, H. Liu, Q. Zhang, Chem. 5, 74 (2019).
E. Rangasamy, G. Sahu, J. K. Keum, A. J. Rondinone, N. J. Dudney, C. Liang, J. Mater. Chem. A 2, 4111 (2014).
A. S. Lakhnot, T. Gupta, Y. Singh, P. Hundekar, R. Jain, F. Han, N. Koratkar, Energy Storage Mater. 27, 506 (2019).
K. M. Abraham, J. Electrochem. Soc. 143, 1 (1996).
F. Li, T. Zhang, H. Zhou, Energy Environ. Sci. 6, 1125 (2013).
J. Read, J. Electrochem. Soc. 14, A1190 (2002).
M. Armand, F. Endres, D. R. MacFarlane, H. Ohno, B. Scrosati, Mater. Renew. Sustain. Energy129 (2010).
H. Yang, Y. Liu, H. Ning, J. Lei, G. Hu, RSC Adv. 7, 33231 (2017).
T. Welton, Chem. Rev. 99, 2071 (1999).
C. Wang, H. Luo, X. Luo, H. Li, S. Dai, Green Chem. 12, 2019 (2010).
A. Nusaibah Masri, A. Mutalib MI, J. M. Leveque, Industrial Engineering & Management, 05 (2016).
K. Liu, Z. Wang, L. Shi, S. Jungsuttiwong, Sh. Yuan, J. Energy Chem., 59, 320 (2021).
Sh. Ding, X. Yu, Z. Ma, X. Yuan, J. Mater. Chem. A, 9, 8160 (2021).
J. L. Anderson, R. Ding, A. Ellern, D. W. Armstrong, JACS 127, 593 (2005).
R. A. Marcus, Pure Appl. Chem. 69, 13 (1997).
S. Kazemiabnavi, P. Dutta, S. Banerjee, J. Phys. Chem. C 118, 27183 (2014).
E. Aprà, E. J. Bylaska, W. A. de Jong, N. Govind, K. Kowalski, T. P. Straatsma, J. Anchell, J. Chem. Phys. 152, 184102 (2020).
D.M. York, M. Karplus, J. Phys. Chem. A 103, 11060 (1999).
Christopher J. Cramer, Essential computational chemistry/theories and models, Wiley; 2nd edition (2004).
J. Robertson, Semicond Sci Technol. 132 (2011).
Y. Zhou, Z., Lin, K. Wu, G. Xu, C. He, Chin. J. Chem. Eng. 22,79 (2014).
N. Koga, K. Sameshima, K. Morokuma, Am. J. Phys. Chem. 97, 13117 (1993).