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http://dspace.univ-tiaret.dz:80/handle/123456789/16974| Title: | Study of Binary ionic liquids by dielectric spectroscopy and Data Mining |
| Authors: | GUETTAF, Hadjer |
| Keywords: | Ionic liquids; Imidazolium-based compounds; Dielectric spectroscopy; Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS); Dynamic Dielectric Spectroscopy (DDS); Principal Component Analysis (PCA); Partial Least Squares Regression (PLS); Data mining; Vogel–Fulcher–Tammann (VFT) equation; Thermal analysis; Differential Scanning Calorimetry (DSC); Thermogravimetric Analysis (TGA); Glass transition; Electrical conductivity; Charge transport. |
| Issue Date: | 28-ينا-2026 |
| Publisher: | Université IBN-KHALDOUN |
| Abstract: | This work focuses on the physicochemical study and dielectric characterization of imidazolium-based ionic liquids, combining experimental analysis and data-driven modeling better to understand their structural, thermal, and electrical behaviors. The study integrates data mining techniques, including Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares Regression (PLS), with Broadband Dielectric Spectroscopy (BDS) and thermal analysis methods such as Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Thermogravimetric Analysis (TGA). Using the Vogel–Fulcher–Tammann (VFT) dielectric equation, the PLS approach was applied to predict the dielectric properties of binary ionic liquid mixtures based on the known parameters of their individual components. The PCA method enabled the classification and visualization of property relationships, facilitating the identification of correlations and trends within complex datasets. These techniques provided valuable insight into the structure–property relationships governing ionic liquid behavior. Experimentally, BDS measurements were performed on 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMIM][BF₄]) and other imidazolium-based systems to investigate frequency- and temperature-dependent dielectric properties. The results revealed electrode polarization effects, relaxation dynamics, and scaling laws characteristic of ion exchange processes between interfacial layers and the bulk liquid. The relaxation peaks followed a Vogel–Fulcher–Tammann temperature dependence, confirming the kinetic nature of charge transport mechanisms. Furthermore, the thermal and dielectric behaviors of two newly synthesized ionic liquids, [EtOHVIM][HSO₄] (monomeric) and [P-EtOHVIM][H₂PO₄] (polymeric), were investigated using NMR, FTIR, DSC, and TGA. Both materials exhibited good thermal stability, low glass transition temperatures, and strong hydrogen bonding networks that influence their hydrophilicity and conductivity. Dielectric analysis showed high ionic conductivities with temperature-dependent transitions from VFT to Arrhenius-type behavior. Overall, this study demonstrates that combining data mining methods with dielectric and thermal analyses offers a comprehensive and predictive framework for understanding and designing ionic liquids. The results highlight the potential of [EtOHVIM][HSO₄] and [P-EtOHVIM][H₂PO₄] as promising candidates for solid-acid electrolytes and proton exchange membranes, contributing to the development of next-generation electrochemical and energy storage materials. |
| Description: | Ce travail porte sur l’étude physico-chimique et diélectrique des liquides ioniques à base d’imidazolium, en combinant des analyses expérimentales et des méthodes de modélisation fondées sur les données afin de mieux comprendre leurs comportements structuraux, thermiques et électriques. L’étude intègre des techniques d’extraction de connaissances telles que l’Analyse en Composantes Principales (ACP) et la Régression par Moindres Carrés Partiels (PLS), ainsi que des méthodes d’analyse thermique – la Calorimétrie Différentielle à Balayage (DSC) et l’Analyse Thermogravimétrique (ATG) – et la Spectroscopie Diélectrique à Large Bande (BDS). En utilisant l’équation diélectrique de Vogel–Fulcher–Tammann (VFT), la méthode PLS a permis de prédire les propriétés diélectriques des mélanges binaires à partir des paramètres des liquides ioniques individuels contenus dans la base de données. L’ACP a servi à classer et visualiser les relations entre les propriétés, mettant en évidence les corrélations et tendances existantes au sein de données complexes. Ces approches ont permis d’établir des relations structure–propriété essentielles à la conception de nouveaux matériaux ioniques. Sur le plan expérimental, la spectroscopie diélectrique à large bande (BDS) a été utilisée pour étudier les propriétés diélectriques du 1-butyl-3-méthylimidazolium tétrafluoroborate ([BMIM][BF₄]) en fonction de la fréquence et de la température. L’analyse des résultats a révélé des effets de polarisation d’électrode, des dynamiques de relaxation et des lois d’échelle caractéristiques d’un échange d’ions entre les couches interfaciales et le liquide ionique massif. Les pics de relaxation observés suivent une dépendance en température de type VFT, confirmant la nature cinétique du transport de charge. De plus, les comportements thermiques et diélectriques de deux nouveaux liquides ioniques – le [EtOHVIM][HSO₄] (monomérique) et le [P-EtOHVIM][H₂PO₄] (polymérique) – ont été étudiés à l’aide de la RMN, de la FTIR, de la DSC et de l’ATG. Ces composés présentent une bonne stabilité thermique, de faibles températures de transition vitreuse, et des liaisons hydrogène fortes influençant leur hydrophilie et leur conductivité. L’analyse diélectrique a mis en évidence des conductivités ioniques élevées, avec une transition de comportement de type VFT vers un modèle d’Arrhenius à une température caractéristique (Tσ₀). En conclusion, ce travail démontre que la combinaison des méthodes de fouille de données avec les analyses thermiques et diélectriques constitue un cadre d’étude complet et prédictif pour comprendre et concevoir de nouveaux liquides ioniques fonctionnels. Les résultats obtenus mettent en évidence le potentiel des composés [EtOHVIM][HSO₄] et [P-EtOHVIM][H₂PO₄] en tant que bons candidats pour les électrolytes solides acides et les membranes échangeuses de protons, contribuant ainsi au développement de matériaux avancés pour les dispositifs électrochimiques et de stockage d’énergie. |
| URI: | http://dspace.univ-tiaret.dz:80/handle/123456789/16974 |
| Appears in Collections: | Doctorat |
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