CC BY
69
УДК 544.6.018.48+544.636 Г. С. Кочлар*
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, корп. 1 * e-mail: [email protected]
ИОННЫЕ ЛИОТРОПНЫЕ ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ КАК ИОННЫЕ ПРОВОДНИКИ И ИХ ВОЗМОЖНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ
В последнее время в науке имеется достаточно большой интерес к ионным проводникам, в том числе и к ионным жидким кристаллам, как на основе ионных жидкостей, так и на основе анионных поверхностно активных веществ. В данной статье сделан краткий обзор по жидкокристаллическим ионным проводникам, и приведены примеры потенциального применения таких систем.
Ключевые слова: ионные лиотропные жидкие кристаллы; электропроводность; применение ионных жидких кристаллов.
Одной из важных проблем для науки и техники является создание перспективных новых электрохимических накопителей энергии для разных технических целей. Важным составляющим любого электрохимического накопителя энергии является электролит, который определяет как внутреннее сопротивление, так и рабочее напряжение, например, в случае с суперконденсаторами[1]. Также стоит отметить, что создание новых материалов для источников тока является приоритетной задачей, которая была сформулирована правительством России. К таким новым материалам могут быть отнесены и ионные жидкокристаллические проводники, а также композиты на их основе.
В работе [2] проводится сравнение проводимости в упорядоченном ионном смектическом жидком кристалле (ИСЖК), который является термотропным, и в неупорядоченном лиотропном ионном
смектическом жидком кристалле. В качестве термотропного ИСЖК выступает соль Co каприновой (декановой) кислоты, в качестве лиотропного ИСЖК выступает K соль этой же кислоты в водной смеси 1:1. Проводимость лиотропного ИСЖК при комнатной температуре В работе [3,4] авторы исследуют проводимость в другом ионном лиотропном жидком кристалле на основе калиевой соли лауриновой кислоты. Для экспериментов были взяты два состава: 75% масс. лаурата калия - 25% масс воды и 73.3% масс. лаурата калия - 24.4% масс. воды - 2.3% масс. хлорида калия. В системах такого состава присутствует ламеллярная жидкокристаллическая фаза. Проводимость для случая с планарной ячейкой на частоте 1кГц составила 120 мСм/см и 80 мСм/см соответственно. Также стоит отметить, что добавление соли в жидкий кристалл не привело к увеличению удельной проводимости.
составила 100 мСм/см, что на несколько порядков превышает проводимость для термотропного при температуре 95°С - 6.3*10-4 мСм/см. На рис. 1 приведено схематическое представление жидкокристаллической структуры исследуемых систем. Также стоит отметить, что в случае с термотропным ИСЖК имеет место анизотропия проводимости, и проводимость перпендикулярно катион-анионным слоям была на четыре порядка меньше, чем в случае с проводимостью вдоль катионно-анионных слоев и составила 6.3 *10-8 мСм/см.
Рис. 1. Схематическое представление лиотропного ионного смектического жидкого кристалла и термотропного солей каприновой кислоты [2].
Еще один пример лиотропного ионного жидкого кристалла обладающего высокой проводимостью, в данном случае уже по ионам лития[5]. В системе додецилбензолсульфонат лития - вода прямая гексагональная фаза обладает проводимостью в 33 мСм/см.
Если говорить о потенциальном применении лиотропных ионных жидких кристаллов то стоит отметить традиционную для всех электролитов область - это источники тока, от литиевых аккумуляторов [6] до суперконденсаторов[7].
Другим перспективным применением лиотропных ионных жидких кристаллов является создание наноструктурированных полимерных композитов с высокой проводимостью по литию.
В работе [6] достигнута проводимость 1 мСм/см в случае заполнения пор смесью из органического растворителя, пропиленкарбоната, и перхлората лития. Схематически полученный полимерный композит представлен на рис. 2.
Рис. 2. Ы ион проводящий композит, основанный на прямой кубической фазе Рп, которая была сформирована мономером 1, заполненный раствором ПК-ПСЮ4[6].
Еще одним применением ионных лиотропных жидких кристаллов может стать использование их в качестве так называемых мягких темплатов для синтеза наноструктурированных покрытий, например никелевых. В работе [8] предлагается использование гексагонального жидкого кристалла в качестве ионопроводящей среды для ионов никеля. При смешивании были получены жидкие кристаллы двух составов: 35% масс. Тритон Х-100 - 55 % масс. раствора сульфамата никеля, нитрата никеля и борной кислоты, 35% масс. Тритон Х-100 - 55 % масс. раствора сульфамата никеля, нитрата никеля и борной кислоты. Электроосаждение проводилось в двухэлектродной ячейке в гальваностатическом режиме с плотностью тока 1 мА/см2 в течение 6 часов. На 3Б изображениях АСМ перепад высот поверхности составляет 160 нм и 200 нм для покрытий, осажденных из составов жидких кристаллов №1 и № 2, соответственно. На 2Б изображениях можно различить частицы размером 30 и 40 нм. Согласно изображениям СЭМ полученные никелевые покрытия размер отдельных частиц составляет около 10 нм.
В другом источнике [9] авторами были получены покрытия оксида марганца. Жидкий кристалл, используемый в качестве электролита в электроосаждении мезопористых покрытий оксида марганца, состоит из бинарной системы ПАВ 60 % масс. Бридж 56 и 40 % масс. водного
раствора ацетата марганца. На ПЭМ изображениях покрытия имели однородную и гомогенную структуру с диаметром пор 5 нм. Морфология поверхности была исследована с помощью СЭМ. На изображениях было показано, что покрытия имеют развитую поверхность. Удельная емкость оксида марганца в водном растворе составила 88 Ф/г, а удельная емкость мезопористого оксида марганца - 274 Ф/г.
Оксид марганца также может быть получен в системе жидкого кристалла, содержащей ПАВ Бридж 56 и сульфат марганца, растворенного в воде и серной кислоте. На рис. 3 (а, б), полученных СЭМ, было показано образование полых сферических оболочек перфорированного оксида марганца в присутствии. С помощью ПЭМ было установлено, что оксид марганца состоит из нановолокон со структурой, напоминающей цветок. Ширина волокон составляет 5 нм. Внутри волокон размер нанокристалов оксида марганца колеблется от 3-5 нм.
Рис. 3. СЭМ изображения оксидов марганца: (а) полученные в отсутствие Бридж 56; (б) в присутствии Бридж 56.
Кочлар Галип Сарпер аспирант кафедры наноматериалов и нанотехнологии РХТУ им. Д. И. Менделеева, Россия, Москва
Литература
1. Halper M. S., Ellenbogen J. C. Supercapacitors: A Brief Overview: Technical report. - MITRE Nanosystems Group, 2006. - 34 p.
2. Garbovskiy Y. Electrical conductivity of lyotropic and thermotropic ionic liquid crystals consisting of metal alkanoates/ Y. Garbovskiy, A. Koval'chuk, A. Grydyakina, S. Bugaychuk, T. Mirnaya, G. Klimusheva// Liquid Crystals. - 2007. Vol. 34. № 5. - P. 599-603.
3. Matveeva, A. G. Electrical properties of liquid crystals based on potassium laurate/ A. G. Matveeva, E. V. Yurtov, L. A. Prokopova// Theoretical Foundations of Chemical Engineering. - 2012. Vol. 46, № 4. - P. 395-400.
4. Матвеева, А.Г. Электрические свойства жидких кристаллов на основе лаурата калия/ А. Г. Матвеева, Е. В. Юртов, Л. А. Прокопова// Химическая технология. - 2010. - Т.11, №12. - С. 711716.
5. А.В. Кузьмин, С.В. Копичников, Е.В. Юртов Электрические свойства ионных лиотропных жидких кристаллов додецилбензолсульфоната с различными катионами Успехи в химии и химической технологии. Том XXVII. 2013. №6
6. Robert L. Kerr, Seth A. Miller, Richard K. Shoemaker, Brian J. Elliott, Douglas L. Gin New Type of Li Ion Conductor with 3D Interconnected Nanopores via Polymerization of a Liquid Organic Electrolyte-Filled Lyotropic Liquid-Crystal Assembly J. AM. CHEM. SOC. 2009, 131, 15972-15973
7. А.В. Кузьмин, Р.А. Ягафаров, Е.В. Юртов Влияние состава ионных лиотропных жидких кристаллов додецилбензолсульфоната с катионами Na и K на емкость двухслойных конденсаторов Успехи в химии и химической технологии. Том XXVII. 2013. №6
8. Юртов, Е. В. Использование гексагонального жидкого кристалла в качестве темплата для получения наноструктурированных никелевых покрытий/ Е. В. Юртов, А. Г. Матвеева, М. Т. Тодаева, А. А. Серцова// Химическая технология. - 2013. - Т. 14, № 1. - С. 24-29.
9. Bin Dong, Tong Xue, Cai-Ling Xu, Hu-Lin Li. Electrodeposition of mesoporous manganese dioxide films from lyotropic liquid crystalline phases/ Bin Dong, Tong Xue, Cai-Ling Xu, Hu-Lin Li// Microporous and Mesoporous Materials. - 2008. № 112. - P. 627-631.
10. Ping Liu. Nanostructured manganese oxides as lithium battery cathode materials/ Ping Liu, Se-Hee Lee, Yanfa Yan, C. Edwin Tracy, John A. Turner// Journal of Power Sources. - 2006. № 158. - P. 659-662.
Kochlar Galip Sarper*
D. I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia. * e-mail: [email protected]
IONIC LYOTROPIC LIQUID CRYSTALS AS IONIC CONDUCTORS AND THEIR POSSIBLE APPLICATIONS
Abstract
Recently, science has sufficiently great interest to ionic conductors including ionic and liquid crystals both based on ionic liquids and based on anionic surfactants. In this paper, a short review on the LCD ionic conductors and examples of potential applications of such systems.
Key words: ionic lyotropic liquid crystals; conductivity; use of ionic liquid crystals.
