Change search
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link
Weighing the surface charge of an ionic liquid
KTH, School of Chemical Science and Engineering (CHE), Chemistry, Surface and Corrosion Science.ORCID iD: 0000-0003-2773-3573
KTH, School of Industrial Engineering and Management (ITM), Machine Design (Dept.). Univ Ghent, Dept Mech Construct & Prod, B-9052 Zwijnaarde, Belgium.
Show others and affiliations
2015 (English)In: Nanoscale, ISSN 2040-3364, E-ISSN 2040-3372, Vol. 7, no 38, 16039-16045 p.Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

Electrochemical quartz crystal microbalance has been used to measure changes in the composition of the capacitive electrical double layer for 1-ethyl-3-methylimidazolium tris(pentafluoroethyl)-trifluorophosphate, an ionic liquid, in contact with a gold electrode surface as a function of potential. The mass difference between the cation and anion means that the technique can effectively "weigh" the surface charge accurately with high temporal resolution. This reveals quantitatively how changing the potential alters the ratio of cations and anions associated with the electrode surface, and thus the charge per unit area, as well as the kinetics associated with these interfacial processes. The measurements reveal that it is diffusion of co-ions into the interfacial region rather than expulsion of counterions that controls the relaxation. The measured potential dependent double layer capacitance experimentally validates recent theoretical predictions for counterion overscreening (low potentials) and crowding (high potentials) at electrode surfaces. This new capacity to quantitatively measure ion composition is critical for ionic liquid applications ranging from batteries, capacitors and electrodeposition through to boundary layer structure in tribology, and more broadly provides new insight into interfacial processes in concentrated electrolyte solutions.

Place, publisher, year, edition, pages
2015. Vol. 7, no 38, 16039-16045 p.
National Category
Chemical Engineering
URN: urn:nbn:se:kth:diva-175520DOI: 10.1039/c5nr03965gISI: 000361834100058PubMedID: 26370450ScopusID: 2-s2.0-84942626540OAI: diva2:862018
Swedish Research CouncilKnut and Alice Wallenberg Foundation

QC 20151020

Available from: 2015-10-20 Created: 2015-10-16 Last updated: 2016-05-18Bibliographically approved
In thesis
1. Ionic liquids: The solid-liquid interface and surface forces
Open this publication in new window or tab >>Ionic liquids: The solid-liquid interface and surface forces
2016 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

Ionic liquids (ILs) present new approaches for controlling interactions at the solid-liquid interface. ILs are defined as liquids consisting of bulky and asymmetric ions, with a melting point below 373 K. Owing to their amphiphilic character they are powerful solvents but also possess other interesting properties. For example, ILs can self-assemble and are attracted to surfaces due to their charged nature. As a result, they are capable of forming nanostructures both in bulk and at interfaces. This thesis describes how the solid-IL interface responds to external influences such as elevated temperatures, the addition of salt and polarisation. An improved understanding of how these factors govern the surface composition can provide tools for tuning systems to specific applications such as friction.

Normal and friction forces are measured for ethylammonium nitrate (EAN) immersed between a mica surface and a silica probe, at different temperatures or salt concentrations. The results demonstrate that an increase in temperature or low concentrations of added salt only induce small changes in the interfacial structure and that the boundary layer properties remain intact. In contrast, at sufficiently large salt concentrations the smaller lithium ion prevails and the surface composition changes. The interfacial layer of a similar IL is also investigated upon the addition of salt and the results reveal that lithium ions affect the surface composition differently depending on the ion structure of the IL. This demonstrates that the surface selectivity strongly depends on the ion chemistry.

Remarkably, a repulsive double layer force manifests itself for EAN at 393 K, which is not observed for lower temperatures. This indicates a temperature dependent change in EAN’s microscopic association behaviour and has general implications for how ILs are perceived.

A new method is developed based on a quartz crystal microbalance to investigate how the surface compositions of ILs respond to polarisation. The approach demonstrates that interfacial layers of both a neat IL and an IL dissolved in oil can be controlled using potentials of different magnitudes and signs. Furthermore, the method enables two independent approaches for monitoring the charges during polarisation which can be used to quantify the surface composition. The technique also provides information on ion kinetics and surface selectivity.

This work contributes to the fundamental understanding of the solid-IL interface and demonstrates that the surface composition of ILs can be controlled and monitored using different approaches.

Abstract [sv]

Jonvätskor möjliggör nya tillvägagångssätt för att kontrollera interaktioner vid gränsskiktet mellan fasta ytor och vätskor. Jonvätskor definieras som vätskor som består av stora och asymmetriska joner med en smältpunkt under 373 K. På grund av sin amfifila karaktär är de starka lösningsmedel men har också andra intressanta egenskaper. Jonvätskor kan till exempel självorganisera sig och attraheras till ytor på grund av sin laddning. En följd av detta är att de bildar nanostrukturer både i bulk och på ytor. Denna avhandling beskriver hur gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor svarar på yttre påverkan såsom en ökning i temperatur, tillsättning av ett salt samt polarisering. En ökad förståelse för hur dessa faktorer styr ytkompositionen av jonvätskor kan bidra med verktyg för att kontrollera system till specifika applikationer såsom friktion.

Normala- och friktionskrafter mäts för etylammonium nitrat (EAN) mellan en glimmeryta och en kolloidprob vid olika temperaturer eller saltkoncentrationer. Resultaten visar att en ökning av temperatur eller låga koncentrationer av tillsatt salt bara marginellt framkallar ändringar i strukturen på gränsytan och att det adsorberade lagret förblir intakt. När saltkoncentrationen emellertid var tillräckligt hög får den mindre litiumjonen överhanden och ytsammansättningen ändras. Ytlagret av en liknande jonvätska undersöks också vid tillsättning av salt och resultaten avslöjar att litiumjoner påverkar ytsammansättningen annorlunda beroende på jonstrukturen av jonvätskan. Detta visar att ytselektiviteten starkt beror på jonkemin.

En repulsiv dubbellagerkraft yttrar sig anmärkningsvärt för EAN vid 393 K vilket inte observeras vid lägre temperaturer. Detta indikerar en ändring i EANs mikroskopiska sammansättningsbeteende och har generella återverkningar för hur jonvätskor uppfattas.

En ny metod har utvecklats baserad på en kvartskristall mikrovåg för att undersöka hur ytsammansättningen av jonvätskor reagerar på polarisering. Denna metod visar att det adsorberade lagret av både en ren jonvätska och en jonvätska löst i olja kan kontrolleras genom att applicera spänningar med olika tecken och storlekar. Dessutom möjliggör metoden två oberoende tillvägagångssätt för att övervaka laddningarna under polarisering vilket kan användas för att kvantifiera ytsammansättningen. Tekniken ger också information om jonkinetik och ytselektivitet.

Detta arbete bidrar till den grundläggande förståelsen av gränsskiktet mellan fasta ytor och jonvätskor och visar att ytsammansättningen av jonvätskor kan kontrolleras och övervakas med olika tillvägagångssätt.

Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. 75 p.
TRITA-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 25
Ionic liquids, solid-liquid interface, surface forces, nanotribology, atomic force microscopy, quartz crystal microbalance, Jonvätskor, gränsskiktet mellan fasta ytor och vätskor, ytkrafter, nanotribologi, atomkraftsmikroskopi, kvartskristallmikrovåg
National Category
Physical Chemistry Materials Chemistry Nano Technology
Research subject
urn:nbn:se:kth:diva-186267 (URN)978-91-7595-996-2 (ISBN)
Public defence
2016-06-10, Kollegiesalen, Brinellvägen 8, Stockholm, 10:00 (English)
Swedish Research CouncilKnut and Alice Wallenberg Foundation

QC 20160518

Available from: 2016-05-18 Created: 2016-05-09 Last updated: 2016-05-18Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text

Other links

Publisher's full textPubMedScopus

Search in DiVA

By author/editor
Hjalmarsson, NicklasGlavatskih, SergeiRutland, Mark W.
By organisation
Surface and Corrosion ScienceMachine Design (Dept.)
In the same journal
Chemical Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

Altmetric score

Total: 33 hits
ReferencesLink to record
Permanent link

Direct link