The aim of this work is to provide a better understanding of the interface between graphite and different molecular and ionic liquids. Experimental measurements of the liquid surface tension and of the graphite-liquid contact angle for sixteen ionic liquids and three molecular liquids are reported. These experimental values allowed the calculation of the solid/liquid interfacial energy that varies, for the ionic liquids studied, between 14.5 mN m−1 for 1-ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide and 37.8 mN m−1 for 3-dodecyl-1-(naphthalen-1-yl)-1H-imidazol-3-ium tetrafluoroborate. Imidazolium-based ionic liquids with large alkyl side-chains or functionalized with benzyl groups seem to interact more favourably with freshly peeled graphite surfaces. Even if the interfacial energy seems a good descriptor to assess the affinity of a liquid for a carbon-based solid material, we conclude that both the surface tension of the liquid and the contact angle between the liquid and the solid can be significant. Molecular dynamics simulations were used to investigate the ordering of the ions near the graphite surface. We conclude that the presence of large alkyl side-chains in the cations increases the ordering of ions at the graphite surface. Benzyl functional groups in the cations lead to a large affinity towards the graphite surface.

1.
J. P.
Hallett
and
T.
Welton
,
Chem. Rev.
111
,
3508
(
2011
).
2.
M.
Deetlefs
,
K. R.
Seddon
, and
M.
Shara
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
8
,
642
(
2006
).
3.
Y.
Chen
,
X.
Zhang
,
D.
Zhang
,
P.
Yu
, and
Y.
Ma
,
Carbon
49
,
573
(
2011
).
4.
T. Y.
Kim
,
H. W.
Lee
,
M.
Stoller
,
D. R.
Dreyer
,
C. W.
Bielawski
,
R. S.
Ruoff
, and
K. S.
Suh
,
ACS Nano
5
,
436
(
2011
).
5.
Z.
Lei
,
Z.
Liu
,
H.
Wang
,
X.
Sun
,
L.
Lu
, and
X. S.
Zhao
,
J. Mater. Chem. A
1
,
2313
(
2013
).
6.
W. Y.
Tsai
,
R.
Lin
,
S.
Murali
,
L.
Li Zhang
,
J. K.
McDonough
,
R. S.
Ruoff
,
P. L.
Taberna
,
Y.
Gogotsi
, and
P.
Simon
,
Nano Energy
2
,
403
(
2013
).
7.
A.
Balducci
,
U.
Bardi
,
S.
Caporali
,
M.
Mastragostino
, and
F.
Soavi
,
Electrochem. Commun.
6
,
566
(
2004
).
8.
R.
Zambare
,
X.
Song
,
S.
Bhuvana
,
J. S.
Antony Prince
, and
P.
Nemade
,
ACS Sustainable Chem. Eng.
5
,
6026
(
2017
).
9.
N.
Saurín
,
J.
Sanes
, and
M. D.
Bermúdez
,
Mater. Today: Proc.
3
,
227
(
2016
).
10.
R.
Peng
,
Y.
Wang
,
W.
Tang
,
Y.
Yang
, and
X.
Xie
,
Polymers
5
,
847
(
2013
).
11.
A. G.
Kelly
,
T.
Hallam
,
C.
Backes
,
A.
Harvey
,
A. S.
Esmaeily
,
I.
Godwin
,
J.
Coelho
,
V.
Nicolosi
,
J.
Lauth
,
A.
Kulkarni
,
S.
Kinge
,
L. D. A.
Siebbeles
,
G. S.
Duesberg
, and
J. N.
Coleman
,
Science
356
,
69
(
2017
).
12.
S.
Ravula
,
S. N.
Baker
,
G.
Kamath
, and
G. A.
Baker
,
Nanoscale
7
,
4338
(
2015
).
14.
K. S.
Novoselov
,
V. I.
Falko
,
L.
Colombo
,
P. R.
Gellert
,
M. G.
Schwab
, and
K.
Kim
,
Nature
490
,
192
(
2012
).
15.
X.
Wang
,
P. F.
Fulvio
,
G. A.
Baker
,
G. M.
Veith
,
R. R.
Unocic
,
S. M.
Mahurin
,
M.
Chi
, and
S.
Dai
,
Chem. Commun.
46
,
4487
(
2010
).
16.
M.
Matsumoto
,
Y.
Saito
,
C.
Park
,
T.
Fukushima
, and
T.
Aida
,
Nat. Chem.
7
,
730
(
2015
).
17.
R.
Bari
,
G.
Tamas
,
F.
Irin
,
A. J.
Aquino
,
M. J.
Green
, and
E. L.
Quitevis
,
Colloids Surf., A
463
,
63
(
2014
).
18.
D.
Nuvoli
,
L.
Valentini
,
V.
Alzari
,
S.
Scognamillo
,
S. B.
Bon
,
M.
Piccinini
,
J.
Illescas
, and
A.
Mariani
,
J. Mater. Chem.
21
,
3428
(
2011
).
19.
J.
Lu
,
J. X.
Yang
,
J.
Wang
,
A.
Lim
,
S.
Wang
, and
K. P.
Loh
,
ACS Nano
3
,
2367
(
2009
).
20.
F.
Rietzler
,
J.
Nagengast
,
H. P.
Steinrück
, and
F.
Maier
,
J. Phys. Chem. C
119
,
28068
(
2015
).
21.
A.
Elbourne
,
B.
McLean
,
K.
Voïtchovsky
,
G. G.
Warr
, and
R.
Atkin
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
3118
(
2016
).
22.
R.
Atkin
and
G. G.
Warr
,
J. Phys. Chem. C
111
,
5162
(
2007
).
23.
H.
Li
,
R. J.
Wood
,
F.
Endres
, and
R.
Atkin
,
J. Phys.: Condens. Matter
26
,
284115
(
2014
).
24.
A. S.
Pensado
,
F.
Malberg
,
M. F. C.
Gomes
,
A. A. H.
Padua
,
J.
Fernandez
, and
B.
Kirchner
,
RSC Adv.
4
,
18017
(
2014
).
25.
J.
França
,
C. A.
Nieto de Castro
, and
A. A. H.
Padua
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
19
,
17075
(
2017
).
26.
M. H.
Ghatee
and
F.
Moosavi
,
J. Phys. Chem. C
115
,
5626
(
2011
).
27.
S.
Maolin
,
Z.
Fuchun
,
W.
Guozhong
,
F.
Haiping
,
W.
Chunlei
,
C.
Shimou
,
Z.
Yi
, and
H.
Jun
,
J. Chem. Phys.
128
,
1
(
2008
).
28.
C.
Herrera
,
G.
García
,
M.
Atilhan
, and
S.
Aparicio
,
J. Phys. Chem. C
119
,
24529
(
2015
).
29.
J.
Fouchet
,
L.
Douce
,
B.
Heinrich
,
R.
Welter
, and
A.
Louati
,
Beilstein J. Org. Chem.
5
,
51
(
2009
).
30.
L.
Douce
,
L.
Stuttgé
,
E.
Bouajila
,
J.
Fouchet
, and
B.
Heinrich
, New family of discriminating molecules for neutron and gamma ray and ionic liquid, WO2014147078A1, 03/14/2014,
2014
.
31.
W. L.
Jorgensen
,
D. S.
Maxwell
, and
J.
Tirado-Rives
,
J. Am. Chem. Soc.
118
,
11225
(
1996
).
32.
J. N.
Canongia Lopes
and
A. A. H.
Pádua
,
Theor. Chem. Acc.
131
,
1
(
2012
).
33.
J. N.
Canongia Lopes
,
J.
Deschamps
, and
A. A. H.
Pádua
,
J. Phys. Chem. B
108
,
2038
(
2004
).
34.
C.
Schröder
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
14
,
3089
(
2012
).
35.
S.
Plimpton
,
J. Comput. Phys.
117
,
1
(
1995
).
36.
A. A. H.
Padua
, fftool, github.com/agiliopadua/fftool,
2013
.
37.
L.
Martinez
,
R.
Andrade
,
E. G.
Birgin
, and
J. M.
Martínez
,
J. Comput. Chem.
30
,
2157
(
2009
).
38.
J. H.
Irving
and
J. G.
Kirkwood
,
J. Chem. Phys.
18
,
817
(
1950
).
39.
A.
Ghoufi
,
P.
Malfreyt
, and
D. J.
Tildesley
,
Chem. Soc. Rev.
45
,
1387
(
2016
).
40.
A. B.
Pereiro
,
J. L.
Legido
, and
A.
Rodríguez
,
J. Chem. Thermodyn.
39
,
1168
(
2007
).
41.
W.
Martino
,
J. F.
de la Mora
,
Y.
Yoshida
,
G.
Saito
, and
J.
Wilkes
,
Green Chem.
8
,
390
(
2006
).
42.
M.
Tariq
,
M. G.
Freire
,
B.
Saramago
,
J. A. P.
Coutinho
,
J. N. C.
Lopes
, and
L. P. N.
Rebelo
,
Chem. Soc. Rev.
41
,
829
(
2012
).
43.
J.
Klomfar
,
M.
Součková
, and
J.
Pátek
,
J. Chem. Eng. Data
56
,
3454
(
2011
).
44.
Y. J.
Shin
,
Y.
Wang
,
H.
Huang
,
G.
Kalon
,
A. T. S.
Wee
,
Z.
Shen
,
C. S.
Bhatia
, and
H.
Yang
,
Langmuir
26
,
3798
(
2010
).
45.
A.
Ashraf
,
Y.
Wu
,
M.
Wang
,
N.
Aluru
,
S.
Dastgheib
, and
S.
Nam
,
Langmuir
30
,
12827
(
2014
).
46.
Z.
Fu-Chun
,
S.
Mao-Lin
,
R.
Xiu-Ping
,
W.
Guo-Zhong
,
H.
Jun
, and
Z.
Yi
,
Chin. Phys. Lett.
27
,
086101
(
2010
).
47.
S.
Wang
,
Y.
Zhang
,
N.
Abidi
, and
L.
Cabrales
,
Langmuir
25
,
11078
(
2009
).
48.
A.
García-Abuín
,
D.
Gómez-Díaz
,
J. M.
Navaza
, and
I.
Vidal-Tato
,
J. Chem. Eng. Data
53
,
2671
(
2008
).
49.
A.
Wandschneider
,
J. K.
Lehmann
, and
A.
Heintz
,
J. Chem. Eng. Data
53
,
596
(
2008
).
50.
M. B.
Oliveira
,
M.
Dom
,
M. G.
Freire
,
F.
Llovell
,
O.
Cabeza
,
L. F.
Vega
, and
J. A. P.
Coutinho
,
J. Phys. Chem. B
116
,
12133
(
2012
).
51.
H. F. D.
Almeida
,
A. R. R.
Teles
,
J. A.
Lopes-Da-Silva
,
M. G.
Freire
, and
J. A. P.
Coutinho
,
J. Chem. Thermodyn.
54
,
49
(
2012
).
52.
M.
Geppert-Rybczyńska
,
J. K.
Lehmann
, and
A.
Heintz
,
J. Chem. Thermodyn.
71
,
171
(
2014
).
53.
H. F. D.
Almeida
,
P. J.
Carvalho
,
K. A.
Kurnia
,
J. A.
Lopes-da Silva
,
J. A. P.
Coutinho
, and
M. G.
Freire
,
Fluid Phase Equilib.
409
,
458
(
2016
).
54.
A.
Fernández
,
J.
García
,
J. S.
Torrecilla
,
M.
Oliet
, and
F.
Rodríguez
,
J. Chem. Eng. Data
53
,
1518
(
2008
).
55.
J. S.
Torrecilla
,
J.
Palomar
,
J.
García
, and
F.
Rodríguez
,
J. Chem. Eng. Data
54
,
1297
(
2009
).
56.
Y.
Hernandez
,
V.
Nicolosi
,
M.
Lotya
,
F. M.
Blighe
,
Z.
Sun
,
S.
De
,
I. T.
McGovern
,
B.
Holland
,
M.
Byrne
,
Y. K.
Gun’Ko
,
J. J.
Boland
,
P.
Niraj
,
G.
Duesberg
,
S.
Krishnamurthy
,
R.
Goodhue
,
J.
Hutchison
,
V.
Scardaci
,
A. C.
Ferrari
, and
J. N.
Coleman
,
Nat. Nanotechnol.
3
,
563
(
2008
); e-print arXiv:0805.2850.
57.
J. N.
Coleman
,
Acc. Chem. Res.
46
,
14
(
2013
).
58.
C.
Kolbeck
,
J.
Lehmann
,
K. R. J.
Lovelock
,
T.
Cremer
,
N.
Paape
,
P.
Wasserscheid
,
A. P.
Fröba
,
F.
Maier
, and
H. P.
Steinrück
,
J. Phys. Chem. B
114
,
17025
(
2010
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.