Theoretical and Computational Study of the Structure and Dynamics of Ionic Liquid MixturesThermodynamical and Interfacial Properties

Resumo

Los líquidos iónicos (LIs) son disolventes nanoestructurados con propiedades útiles para un gran número de aplicaciones, entre las que destacan la síntesis y catálisis en procesos industriales, la electroquímica y el almacenamiento de energía. Su naturaleza no volátil y químicamente estable, así como la posibilidad de recuperar el LI para su posterior reutilización, hace de estos compuestos una interesante alternativa ecológica a los disolventes tradicionales. Las propiedades de un LI vienen determinadas por la elección del anión y del catión por el cual está formado. El número de combinaciones anión-catión que dan como resultado un LI es muy elevado, y, además, una mezcla de dos o más LIs es también un LI, con propiedades distintas a las de sus componentes. Teniendo esto en cuenta, el número de LIs teóricamente posible es del orden de 1018, cada uno con distintas propiedades. Es por ello que comúnmente se denomina a estos materiales “disolventes de diseño”, ya que, en principio, sería posible elegir una combinación óptima de aniones y cationes para cada caso práctico en el que se deseara usar un LI. Para poder desarrollar este paradigma, es necesario antes establecer esta relación entre los iones componentes y las propiedades del LI en distintos casos de interés, ya que no existe de momento una teoría general que determine estas relaciones estructura-propiedad. Para ello, la simulación por ordenador es una herramienta de gran valor que permite acceder a los microestados del sistema en cada momento y observar su evolución, permitiendo estudios a gran escala sin los costes prohibitivos que tendrían los correspondientes estudios experimentales de similares características. Esta tesis presenta una serie de resultados, obtenidos mediante simulación por dinámica molecular, mediante los que se intenta describir mejor los mecanismos de mezcla de LIs con otros cosolventes, en concreto, agua, alcoholes de cadena corta (etanol y metanol), y otros LIs. La primera mitad de la tesis, centrada en mezclas con agua y alcohol, describe el comportamiento de estos en mezclas con líquidos iónicos próticos (LIPs), un subconjunto de LIs cuya característica principal es su fuerte tendencia a formar enlaces de hidrógeno; así como el comportamiento de cantidades residuales de agua en células nanoconfinadas con un líquido iónico aprótico (LIA). En la segunda mitad, se describen las propiedades de mezclas de dos LIs, un LIP y un LIA, mostrando como una elección de iones dispar puede llevar a desviaciones del comportamiento de mezcla ideal difíciles de predecir teóricamente pero de gran importancia práctica.