Electrochemical Windows of Room-Temperature Ionic Liquids from Molecular Dynamics and Density Functional Theory Calculations

离子液体 密度泛函理论 化学 分子动力学 离子 轨道能级差 极化率 计算化学 物理化学 分解 分子轨道 阳极 酰亚胺 电化学 分子 无机化学 有机化学 催化作用 电极
作者
Shyue Ping Ong,Oliviero Andreussi,Yabi Wu,Nicola Marzari,Gerbrand Ceder
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:23 (11): 2979-2986 被引量:399
标识
DOI:10.1021/cm200679y
摘要

We investigated the cathodic and anodic limits of six room-temperature ionic liquids (ILs) formed from a combination of two common cations, 1-butyl-3-methylimidazolium (BMIM) and N,N-propylmethylpyrrolidinium (P13), and three common anions, PF6, BF4, and bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSI), using an approach that combines molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory (DFT) calculations. All interion interactions were taken into account by explicitly modeling the entire liquid structure using classical MD, followed by DFT computations of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) energies. The relative cathodic and anodic limits of BMIM PF6, BMIM BF4, BMIM TFSI, and P13 TFSI obtained from our approach are in fairly good agreement with existing experimental data. From our DFT calculations, we also obtained the cation- and anion-projected density of states (DOS), which provide information on the likely species contributing to reductive and oxidative decomposition. Our predictions support Howlett et al.'s earlier finding(1) that the TFSI anion is less stable than the P13 cation against reduction. In addition, our results provide surprising evidence of possible cation anodic instability; we predict the aromatic BMIM cation to be less stable against oxidation than the respective anions in BMIM PF6 and BMIM BF4, and the P13 cation to be less stable against oxidation than the PF6 anion in P13 PF6. We also present a comparison of the predictions of our approach with that of simpler approximations based on in vacuo or polarizable continuum model calculations.
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