The interaction of Bi cluster ions with ionic liquids

Abstract

Die Anwendungen von ionischen Flüssigkeiten lassen sich in zahlreichen chemischen Bereichen wie synthetische Chemie, elektrochemische Speichermedien, Tribosystemen, chemische Analysen und viele mehr finden. Ionische Flüssigkeiten sind daher derzeit im Fokus der wissenschaftlichen Forschung.<br />Jedoch ist wenig über die intermolekulare Ion-Ion Wechselwirkung bekannt, vor allem in Bezug auf Lösungsmittelpolarität. Die vorliegende Arbeit stellt einen massenspektrometrischen (SIMS) Ansatz vor, um die Wechselwirkungen von Primärionen mit ionischen Flüssigkeiten zu bestimmen. Mittels der neuen Generation der Flüssigmetall-Ionenkanonen (LMIG), welche Bi1-7+ und Bi1;3;5;7++ Bi-Primärionencluster emittieren können, wurde die Untersuchung von ionischen Flüssigkeiten mit Hilfe der statischen Flugzeit- Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) durchgeführt. Der Einfluss der Bedingungen des primären Ionenbeschusses auf die Emission von molekularen Sekundärionen wurde systematisch an ionischen Flüssigkeiten und zum ersten Mal auf flüssigen Oberflächen durchgeführt. Die Daten wurden durch die Berechnung der Sekundärionenausbeuten (einschlie¨slich der Ausbeutensteigerung),des Schadensquerschnittes und der Ionenbildungseffizienz unter Variation der Grö¨se und Ladung der primären Partikel ausgewertet.<br />Darüber hinaus wurde das statische SIMS-Limit auf flüssigen organischen-anorganischen Oberflächen untersucht. Der allgemein bekannte Donor-Akzeptor-Ansatz für Lösungsmittel und Ionen in Lösung wurde auf ionischer Flüssigkeiten ausgeweitet. Dafür werden ionische Flüssigkeiten als Kationen solvatisiert von Anionen und Anionen solvatisiert von Kationen betrachtet. Die solvatochrome Verschiebung von Metallkomplex-Indikatoren wurde verwendet, um Donor- und Akzeptorzahlen für ionische Flüssigkeiten zu berechnen. Die Ergebnisse deuten auf ein neues Lösungsmittelsystem hin, das nicht mit herkömmlichen Lösungsmitteln vergleichbar ist. Es konnte gezeigt werden, dass Donor-Akzeptor-Eigenschaften mit den massenspektrometrischen Untersuchungen korrelieren.<br />

Ionic liquids are currently in the focus of scientific research.<br />Applications of ionic liquids can be found in numerous chemical domains like synthetic chemistry, electrochemical storage media, tribosystems, chemical analysis and many more. However, little is known on the intermolecular ion-ion interaction, mostly discussed in terms of polarity. This work presents a secondary ion mass spectrometric approach to the interactions of primary ions with ionic liquids. The capabilities of the new generation of the bismuth liquid metal ion gun (LMIG), emitting primary Bi-ion cluster Bi1-7+ and Bi1;3;5;7++, for the investigation of ionic liquids has been demonstrated by means of static time-of-flight secondary-ion-mass-sectrometry (ToF-SIMS). The influence of primary ion bombardment conditions on the emission of molecular secondary ions from ionic liquids is systematically carried out for the first time on liquid surfaces. The data were evaluated by calculating secondary ion yields (including the yield enhancement), damage cross section and ion formation efficieny upon variation of the size and charge of the primary particle.<br />Furthermore, the static SIMS limit is investigated on a liquid organic-inorganic surface. The generally accepted donor-acceptor approach for solvent and ions in solution has been extended to ionic liquids. Therefore, ionic liquids are considered as cations solvated by anions and anions solvated by cations.<br />The solvatochromic shift of metal-complex based indicators is used to calculate donor and acceptor numbers for ionic liquids, which are on the same scale as used for common solvents. The results indicate a new solvent system which is not comparable to conventional solvents. It has been successfully proven that donor-acceptor properties correlate with the mass spectrometric studies in this work.