炭化チタンMXenにおけるイオン液体のインターカレーション：第一原理計算による検討

Ionic liquids intercalation in titanium carbide MXenes: A first-principles investigation.

抄録

ここでは、イオン液体（IL）電解質の2次元（2D）TiCT MXenesへのインターカレーションに焦点を当てた分散補正付き密度汎関数理論（DFT-D）計算を紹介する。これらのイオン液体には、陽イオン1-エチル-3-メチルイミダゾリウム（Emim）、陰イオン3種（ビス（トリフルオロメチルスルホニル）イミド（TFSA）、（フルオロスルホニル）イミド（FSA）、フルオロスルホニル（トリフルオロメタンスルホニル）イミド（FTFSA）が含まれる。表面の終端元素を変化させることにより、中性、陰性、陽性の細孔系におけるILインターカレーションの複雑な形状を探索した。電荷移動の正確な見積もりは、Hirshfeld、Hirshfeld-I、DDEC6（density derived electrostatic and chemical）、Bader、VDD（voronoi deformation density）の5つの集団解析モデルによって達成される。本研究では、DDEC6とHirshfeld-I電荷モデルを推奨する。これらは、適度な値を提供し、合理的な傾向を示すからである。非共有結合相互作用を可視化することを目的とした調査により、MXen内でのイオン液体のインターカレーション現象を支配するカチオン-MXene相互作用とアニオン-MXene相互作用の役割が明らかになった。この役割の大きさは、カチオンの特定の配置と、このプロセスに関与するアニオン種の性質という2つの要因に依存する。

Herein, we present a density functional theory with dispersion correction (DFT-D) calculations that focus on the intercalation of ionic liquids (ILs) electrolytes into the two-dimensional (2D) TiCT MXenes. These ILs include the cation 1-ethyl-3-methylimidazolium (Emim), accompanied by three distinct anions: bis(trifluoromethylsulfonyl)imide (TFSA), (fluorosulfonyl)imide (FSA) and fluorosulfonyl(trifluoromethanesulfonyl)imide (FTFSA). By altering the surface termination elements, we explore the intricate geometries of IL intercalation in neutral, negative, and positive pore systems. Accurate estimation of charge transfer is achieved through five population analysis models, such as Hirshfeld, Hirshfeld-I, DDEC6 (density derived electrostatic and chemical), Bader, and VDD (voronoi deformation density) charges. In this work, we recommend the DDEC6 and Hirshfeld-I charge models, as they offer moderate values and exhibit reasonable trends. The investigation, aimed at visualizing non-covalent interactions, elucidates the role of cation-MXene and anion-MXene interactions in governing the intercalation phenomenon of ionic liquids within MXenes. The magnitude of this role depends on two factors: the specific arrangement of the cation, and the nature of the anionic species involved in the process.