Electro-Interfacial Composition Control by Ionic Liquid Technology : Nanostructure, Self-Assembly, and Friction

• Given the potential of ionic liquids (ILs) for batteries, supercapacitors and advanced lubricants, it is crucial to understand how electric fields affect the interfacial behaviour in IL-solvent systems and the intricate relationship between nanostructure and tribotronic properties. This thesis investigates the structural and compositional changes of ILs with different solvents at electrified interfaces.The four papers constituting this thesis can be broadly divided into two studies. The first study outlines the electro-interfacial behaviour of various monocationic (MILs) and dicationic ILs (DILs) dispersed in propylene carbonate. Combining electrochemical quartz crystal microbalance, neutron reflectivity (EC-NR), and atomic force microscopy, a voltage-induced interphase transition from a self-assembled cation bilayer to a conventional electrical double-layer structure has been revealed in bis(oxalato)borate anion MILs. This interphase transition has not been observed in DILs, attributed to the dual charge centres reducing the segregation between polar and apolar domains of dications for self-assembly interaction. The second study explores three MILs sharing the same phosphonium cation with varying orthoborate-based anions dissolved in 2-ethylhexyl laurate (2-EHL). EC-NR measurements reveal a solvent-rich interfacial corona layer and the subtlety of anion architecture in tuning electro-interfacial properties. Meanwhile, EC-NR has been used as a complementary probe to elucidate the nano-scale structural and compositional changes in the boundary films of IL/2-EHL systems with varying potentials, providing a direct link between the molecular controllability and macroscopic tribotronic performance studies.This thesis contributes to the fundamental understanding of electro-interfacial behaviour and controllability of IL-solvent systems and offers valuable molecular insights for deploying these novel ILs as additives in advanced tribological and electrochemical contexts.

• Med tanke på potentialen hos jonvätskor (IL) för batterier, superkondensatorer och avancerade smörjmedel är det viktigt att förstå hur elektriska fält påverkar gränsytans beteende i IL-lösningsmedelssystem och det intrikata förhållandet mellan nanostrukturer och tribotroniska egenskaper. Denna avhandling undersöks strukturella och kompositionella förändringar av ILs med olika lösningsmedel vid elektrifierade gränssnitt.Avhandlingen baseras på fyra artiklar och kan grovt delas i två bredare studier. Den första studien beskriver det elektro-interfaciala beteendet hos olika monokatjoniska (MILs) och dikatjoniska ILs (DILs) dispergerade i propylenkarbonat. Kombinationen av elektrokemisk kvartskristallmikro-balans, neutronreflektivitet (EC-NR) och atomkraftsmikroskopi har lett till avslöjandet av en spänningsinducerad fasövergång från ett självassocierad katjonbilager till en konventionell elektrisk dubbelskiktsstruktur i MIL med bis(oxalato)boratanjon. Denna interfasövergång har inte observerats i DILs, vilket tillskrivs de dubbla laddningscentra som minskar segregeringen mellan polära och apolära domäner av dikationer för självassoceringsinteraktion. Den andra studien undersöker tre MIL som delar samma fosfoniumkatjon med olika ortoboratbaserade anjoner löst i 2-etylhexyllaurat (2-EHL). EC-NR-mätningar avslöjar ett lösningsmedelsrikt korona-skikt i gränsytan och hur anjonarkitekturen påverkar de elektro-interfaciala egenskaperna. Samtidigt har EC-NR belyst de nanoskaliga strukturella och kompositionella förändringarna i gränsskikten i IL/2-EHL-system med varierande potentialer, vilket ger en direkt koppling av den molekylära styrbarheten och makroskopiska tribotroniska prestandan.Denna avhandling bidrar till den grundläggande förståelsen av elektro-interfacial beteende och styrbarhet hos IL-lösningsmedelssystem och erbjuder värdefulla molekylära insikter för att använda dessa nya IL som tillsatser i avancerade tribologiska och elektrokemiska sammanhang.

Ämnesord

NATURVETENSKAP  -- Kemi -- Fysikalisk kemi (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Chemical Sciences -- Physical Chemistry (hsv//eng)

Nyckelord

Ionic liquids

electrical double layer

self-assembly

electro-interfacial structure

tribotronics

supercapacitors

friction

lubrication

Jonvätskor

elektriskt dubbelskikt

självassociering

gränsskiktselektrostruktur

tribotronik

superkondensatorer

friktion

smörjning

Kemi

Chemistry

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)