Direct imaging of micrometer-thick interfaces in salt–salt aqueous biphasic systems

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作者
Damien Degoulange,Raj Pandya,Michaël Deschamps,Dhyllan A. Skiba,Betar M. Gallant,Sylvain Gigan,Hilton B. de Aguiar,Alexis Grimaud
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [Proceedings of the National Academy of Sciences]
卷期号:120 (17)
标识
DOI:10.1073/pnas.2220662120
摘要

Unlike the interface between two immiscible electrolyte solutions (ITIES) formed between water and polar solvents, molecular understanding of the liquid-liquid interface formed for aqueous biphasic systems (ABSs) is relatively limited and mostly relies on surface tension measurements and thermodynamic models. Here, high-resolution Raman imaging is used to provide spatial and chemical resolution of the interface of lithium chloride - lithium bis(trifluoromethanesulfonyl)imide - water (LiCl-LiTFSI-water) and HCl-LiTFSI-water, prototypical salt-salt ABSs found in a range of electrochemical applications. The concentration profiles of both TFSI anions and water are found to be sigmoidal thus not showing any signs of a positive adsorption for both salts and solvent. More striking, however, is the length at which the concentration profiles extend, ranging from 11 to 2 µm with increasing concentrations, compared to a few nanometers for ITIES. We thus reveal that unlike ITIES, salt-salt ABSs do not have a molecularly sharp interface but rather form an interphase with a gradual change of environment from one phase to the other. This knowledge represents a major stepping-stone in the understanding of aqueous interfaces, key for mastering ion or electron transfer dynamics in a wide range of biological and technological settings including novel battery technologies such as membraneless redox flow and dual-ion batteries.
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