Fluorine Domains Induced Ultrahigh Nitrogen Solubility in Ionic Liquids

化学 溶解度 电解质 氮气 离子键合 离子液体 化学工程 无机化学 有机化学 物理化学 离子 催化作用 工程类 电极
作者
Kun Li,Yanlei Wang,Chenlu Wang,Feng Huo,Lan Zhang,Hongyan He
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (37): 25569-25577
标识
DOI:10.1021/jacs.4c06784
摘要

Fluorinated ionic liquids (ILs) are well-known as electrolytes in the nitrogen (N2) electroreduction reaction due to their exceptional gas solubility. However, the influence of fluorinated functional group on N2 solvation and solubility enhancement remains unclear. Massive molecular dynamics simulations and free energy perturbation methods are conducted to investigate the N2 solubility in 11 traditional and 9 fluorinated ILs. It shows that the fluorinated IL of 1-Ethyl-3-methylimidazolium tris(pentafluoroethyl) trifluorophosphate ([Emim]FAP) exhibits ultrahigh solubility, 4.844 × 10–3, approximately 118 times higher than that of traditional IL 1-Ethyl-3-methylimidazolium nitrate ([Emim]NO3). Moreover, fluorinated ILs with more than 10 C–F bonds possess higher N2 solubility than others and show an exothermic nature during solvation. As the C–F bonds number in ILs decreases, the N2 solubility decreases significantly and displays the opposite endothermic behavior. To understand the ultrahigh N2 solubility in fluorinated ILs, we propose a concept of fluorine densification energy (FDE), referring to the average strength of interaction between atoms per unit volume in ILs with fluorine domains, demonstrating a linear relationship with C–F bonds. Physically, lower FDE results in lower N2–anion pair dissociation energy and higher free volume, finally enhancing the N2 solubility. Consequently, medium to long alkyl fluorine tails within a polar environment defines a distinct fluorine domain, emphasizing FDE's role in enhancing N2 solubility. Overall, these quantitative results will not only deepen the understanding of N2 solvation in ILs but may also shed light on the rational design of IL-based high-performance N2 capture and conversion technologies.
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