离子液体材料在电极材料、润滑摩擦、环境保护领域具有广泛的应用。然而缺乏在原子尺寸上理解离子液体分子与二氧化硅材料的相互作用。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究离子液体小分子[P1111][BOB]与二氧化硅表面的相互作用。计算研究表面阳离子[P1111]+与阴离子[BOB]-与氢钝化的二氧化硅相互作用存在明显的差异。此外它们与二氧化硅表面的相互作用为物理吸附。阴离子[BOB]-的氧原子极其容易与氢钝化的二氧化硅的表面氢原子形成弱的氢键。通过旋转离子液体小分子构建不同的结构构型得到单个氢键的结合能约为0.30到0.45eV。另外计算也发现，在水分子浸润条件下，水分子能够形成表面膜，使得离子液体分子能够灵活的与水分子的氧原子形成氢键。我们也发现采用最新的强约束-适当规范（strongly constrined and appropriately normed,SCAN）泛函能够更精确的捕获该体系的结构信息。总之该研究揭示了氢键在表面吸附过程的重要作用，为离子液体在摩擦领域的物理机理应用研究了一定的理论指导。
图1 氢钝化的二氧化硅（001）表面
图2 （a）单个[P1,1,1,1][BOB] 离子液体对吸附到氢钝化的二氧化硅（001）表面的优化的结构；（b）不同交换关联函数计算的吸附能量与阳离子与阴离子之间的距离
图3 三种[P1,1,1,1][BOB] 离子液体对吸附到氢钝化的二氧化硅（001）表面的优化的结构以及旋转不同角度构型下的吸附能与结构距离
图4 三种[P1,1,1,1][BOB] 离子液体在水浸润环境下的吸附到氢钝化的二氧化硅（001）表面相互作用构型
团队介绍
王祥见，现任衢州职业技术学院副教授。2017年博士毕业于西安交通大学材料科学与工程专业；2018-2020年，在瑞典吕勒奥理工大学应用物理系从事博士后研究。从事铁电材料的压电传感、电卡制冷与介电储能以及分子与固体表面的相互作用的应用研究。公开发表40余篇相关文章，包括Appl.Phys.Lett、J.Appl.Phys、EPL、AIP.Adv等。该工作获得瑞典Knut和Alice Wallenberg基金、Kempe博士后基金和浙江省自然科学基金资助。
另外两位合作作者为瑞典吕勒奥理工大学Andreas Lassrson 教授与Oleg Antzutkin教授。
文章信息
Density functional theory study of physisorption of ionic liquid pairs on hydroxylated and oxygen terminated α-SiO2 (001) surfaces
Xiangjian Wang ;Oleg. N. Antzutkin; J. Andreas Larsson
AIP Advances 14, 095004 (2024)
https://doi.org/10.1063/5.0221708
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