Ionische Flüssigkeiten

Ionische Flüssigkeiten sind organische Salze mit besonders niedrigen Schmelzpunkten, die meist schon bei 25°C als Flüssigkeiten vorliegen und eine faszinierende, vielseitige Klasse an modernen, leistungsfähigen Materialien bilden. Sie vereinen die vorteilhaften Charakteristika von molekularen Flüssigkeiten und konventionellen Salzschmelzen zu einer Kombination an Eigenschaften, die nur in dieser Substanzklasse zu finden ist. Dazu zählen ein vernachlässigbarer Dampfdruck, einhergehend mit Nichtentflammbarkeit, eine intrinsische elektrische Leitfähigkeit sowie hohe thermische, chemische und elektrochemische Stabilität, woraus sichere und leistungsstarke Flüssigkeiten resultieren. Darüber hinaus bieten Ionische Flüssigkeiten eine sehr ausgeprägte Möglichkeit zum Einstellen und Maßschneidern ihrer Eigenschaften für eine konkrete Anwendung mittels der molekularen Struktur. Durch ihre vorteilhaften Eigenschaften haben Ionische Flüssigkeiten zahlreiche potentielle Anwendungsmöglichkeiten und viele tatsächlich umgesetzte Anwendungen gefunden, die sich von Nischenanwendungen bis hin zu großen industriellen Prozessen reichen.

 

Forschung

Unsere anwendungsbezogene Grundlagenforschung umfasst zwei verschiedene Ansätze zum Entwerfen, Synthetisieren und Optimieren von Ionischen Flüssigkeiten für spezielle Anwendungen – die Untersuchung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen und Reverse-Engineering Ansätze, letztere häufig genutzt im Rahmen von wissenschaftlichen Kooperationen.

Für den ersten Ansatz synthetisieren wir neue Ionische Flüssigkeiten mit verschiedenen Kationen, Anionen und funktionellen Gruppen und messen deren makroskopische Eigenschaften in Korrelation zur mikroskopischen, chemischen Struktur. Einer unsere Fokusse liegt dabei auf der Maximierung der Leitfähigkeit der Ionischen Flüssigkeiten, da diese essentiell ist, um effiziente und sichere elektrochemische Bauteile, zu konstruieren. Dazu zählen beispielsweise Superkondensatoren oder wiederaufladbare Batterien, die von besonderer Relevanz für die Umstellung der Energieversorgung auf erneuerbare Energien (die sogenannte Energiewende) sind. Grundlegende Struktur-Eigenschafts-Beziehungen von Ionischen Flüssigkeiten sind immer noch von essentieller Bedeutung um die Korrelationen der Eigenschaften von Ionischen Flüssigkeiten zu verstehen. Dies ist umso wichtiger, als es deutlich mehr Ionische Flüssigkeiten als konventionelle molekulare Flüssigkeiten gibt und diese darüber hinaus auch noch über ein vielfältigeres Eigenschaftenspektrum verfügen. Ferner gibt es im Bereich der Ionischen Flüssigkeiten noch viele ungeklärte Fragen, beispielsweise über deren Flüssigstruktur, die Zusammenhänge der verschiedenen Transportgrößen und Interaktionen mit anderen Materialen, wie Oberflächen und Polymere, zur Klärung welcher wir mit unserer Forschung beitragen wollen.

Bei Reverse-Design Ansatz nutzen wir unser gewonnenes Wissen über die Synthese und Zusammenhänge der chemischen Struktur und Eigenschaften, um unsere Kooperationspartner mit Proben zu versorgen, die für deren Forschungsgebiet geeignet sind. Die Anwendungen und Untersuchungen zu denen wir einen Beitrag leisten sind sehr vielseitig und reichen von der Physik über Materialchemie bis hin zu nachhaltigen Technologien. Darüber hinaus versuchen wir unsere Kooperationspatern mit der Synthese von Ionischen Flüssigkeiten zur Beantwortung spezieller wissenschaftlicher Fragestellungen zu unterstützen. Daher haben wir auch viel Erfahrung in der Herstellung von Ionischen Flüssigkeiten mit gezielten Deuterierungsmustern gewinnen können, die beispielsweise in der Kernspinresonanz (NMR) Spektroskopie und für Neutronenstreu-Experimente verwendet werden können.

Wir haben enge und erfolgreiche Kooperation mit Forschungsgruppen die sich unter anderem mit folgenden Forschungsfeldern beschäftigen:

 

  • Batterie-Technologien
  • Superkondensatoren
  • Redox-Flussbatterien 
  • Brennstoffzellen
  • Tribologie 
  • Erschließung von nachwachsenden Rohstoffen (wie Cellulose und Lignin)
  • Verschiedene Arten von Spektroskopie
  • Neutronenstreuung
  • Polymermaterialien 
 

Dr. Daniel Rauber

Geb. B2 2 Raum 0.25

Tel: +49 681 302 64253

daniel.rauber(at)uni-saarland.de

ORCID

 

Aktuelle Publikationen

D. Rauber, A. Hofmann, F. Philippi, C.W.M. Kay, T. Zinkevich, T. Hanemann, R. Hempelmann; Structure-Property Relation of Trimethyl Ammonium Ionic Liquids for Battery Applications. Appl. Sci., 2021, 11, 5679.  https://doi.org/10.3390/app11125679

K.L. Eliasen, H.W. Hansen, F. Lundin, D. Rauber, R. Hempelmann, T. Christensen, T. Hecksher, A. Matic, B. Frick, K. Niss; High-frequency dynamics and test of the shoving model for the glass-forming ionic liquid Pyr14-TFSI, Phys. Rev. Materials 5, 2021, 065606.  DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.5.065606 

F. Lundin, H.W. Hansen, K. Adrjanowicz, B. Frick, D. Rauber, R. Hempelmann, O. Shebanova, K. Niss, and A. Matic; Pressure and Temperature Dependence of Local Structure and Dynamics in an Ionic Liquid; J. Phys. Chem. B 2021 125 (10), 2719-2728. https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.1c00147

F. Philippi, D. Rauber, B. Kuttich, T. Kraus, C.W.M. Kay, R. Hempelmann, P. A. Hunt, T. Welton; Ether functionalisation, ion conformation and the optimisation of macroscopic properties in ionic liquids; Phys. Chem. Chem. Phys., 2020, 22, 23038-23056. DOI:  https://doi.org/10.1039/D0CP03751F 

F. Philippi, D. Pugh, D. Rauber, T. Welton, P.A. Hunt; Conformational design concepts for anions in ionic liquids; Chem. Sci.2020, 11, 6405-6422.  DOI: https://doi.org/10.1039/D0SC01379J