Redox potentials in ionic liquids: Anomalous behavior?

溶剂化 离子液体 化学 离子 化学物理 离子键合 偶极子 溶剂化壳 电解质 乙腈 物理化学 热力学 计算化学 有机化学 物理 催化作用 电极
作者
Chloe Anne Renfro,John H. Hymel,Jesse G. McDaniel
出处
期刊:Journal of Chemical Physics [American Institute of Physics]
卷期号:160 (20) 被引量:2
标识
DOI:10.1063/5.0211056
摘要

Redox potentials depend on the nature of the solvent/electrolyte through the solvation energies of the ionic solute species. For concentrated electrolytes, ion solvation may deviate significantly from the Born model predictions due to ion pairing and correlation effects. Recently, Ghorai and Matyushov [J. Phys. Chem. B 124, 3754–3769 (2020)] predicted, on the basis of linear response theory, an anomalous trend in the solvation energies of room temperature ionic liquids, with deviations of hundreds of kJ/mol from the Born model for certain size solutes/ions. In this work, we computationally evaluate ionic solvation energies in the prototypical ionic liquid, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIM/BF4), to further explore this behavior and benchmark several of the approximations utilized in the solvation energy predictions. For comparison, we additionally compute solvation energies within acetonitrile and molten NaCl salt to illustrate the limiting behavior of purely dipolar and ionic solvents. We find that the overscreening effect, which results from the inherent charge oscillations of the ionic liquid, is substantially reduced in magnitude due to screening from the dipoles of the molecular ions. Therefore, for the molten NaCl salt, for which the ions do not have permanent dipoles, modulation of ionic solvation energies from the overscreening effect is most significant. The conclusion is that ionic liquids do indeed exhibit unique solvation behavior due to peak(s) in the electrical susceptibility caused by the ion shell structure; redox potential shifts for BMIM/BF4 are of more modest order ∼0.1 V, but may be larger for other ionic liquids that approach molten salt behavior.

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