Abstract:

In der vorliegenden Arbeit untersuchten wir Ionen-Wechselwirkungen mit den Oberflächen von Kohlenstoff-Nanomaterialien (KNM) gelöst in verschiedenen wässrigen und nicht-wässrigen Lösungsmitteln: wässrige Dispersionen, N-Methyl-2-pyrrolidon Dispersionen, organische Salz- / Acetonitril-Dispersionen und Raumtemperatur ionische Flüssigkeiten / Acetonitril Dispersionen. Wir verwendeten Molekulardynamik-Simulationen, um die Mechanismen der Ionen-Wechselwirkungen mit den KNM-Oberflächen auf molekularer Ebene der zu verstehen. Wir haben Kohlenstoff-Nanoröhren und Kohlenstoff "Nano-Zwiebeln" als Vertreter der KNM gewählt. Trotz der hohen Vielfalt der Systemkompositionen, die in dieser Dissertation untersucht wurden, können die wichtigsten Merkmale der Ion-Wechselwirkungen mit KNM-Oberflächen durch ähnliche Mechanismen erklärt werden: 1) Interaktion von Ionen mit der KNM-Oberfläche in Dispersionen werden durch das Zusammenspiel der Teilchen-Teilchen-Wechselwirkungen bestimmt: Ion-Lösungsmittel, KNM-Lösungsmittel, Lösungsmittel-Lösungsmittel und Ionen-KNM Wechselwirkungen. 2) Um in den direkten Kontakt mit der KNM-Oberfläche zu treten, werden die Ionen teilweise desolvatisiert. Die teilweise Desolvatation kann allerdings energetisch günstig oder ungünstig sein abhängig von der Stärke der Ionen-Lösungsmittel-Wechselwirkungen. In dieser Arbeit zeigen wir, dass es eine stark negative Korrelation zwischen der Stärke der Ionen-Solvatation und der Wahrscheinlichkeit eines direkten KNM-Ionen Kontakt gibt: die Grenzflächenregion wird vorwiegend von schwach solvatisierten Ionen besiedelt. 3) Die Strafe für die partielle Desolvatisierung der KNM-Oberfläche fügt eine zusätzliche energetische "Barriere" für Ionen hinzu sich der KNM-Oberfläche zu nähern. Diese Barriere kann niedrig sein (wie im Fall von wässrigen Dispersionen) und verhindert somit nicht, dass Ionen an die Oberfläche kommen, oder sie kann hoch sein (wie im Fall von N-Methyl-2-pyrrolidon Dispersionen) und damit verhindern, dass sich Ionen der KNM-Oberfläche nähern. In dieser Arbeit vergleichen wir die Struktur der elektrischen Doppelschicht an einer KNM-Elektrode für eine reine ionische Flüssigkeit (EMIm-TFSI) und einem Gemisch aus der ionischen Flüssigkeit mit einem organischen Lösungsmittel (Acetonitril). Vermischung von Raumtemperatur ionischen Flüssigkeiten mit Acetonitril verringert die Ion-Gegenion Korrelationen in der elektrischen Doppelschicht. In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass man durch den Zusatz von Salz die Stabilität des KNM-Dispersionen verändern kann. In diesem fall sagten wir das Aussalzen (salting out) von Kohlenstof-Nanoröhren in N-Methyl-2-pyrrolidon voraus. Dieser Effekt führt zu einem effizienten, sicheren und kostengünstigen Verfahren zur Regulierung der Konzentration von Kohlenstof-Nanoröhren in