功能化咪唑基离子液体的制备及其在氧气传感器中的应用研究

摘要

氧气不单单用于保障人类生命，在一些工农业、环境和交通等领域也有诸多涉及。用于探测氧气的传感器分为很多类，其中电化学气体传感器由于其在灵敏度和选择性上卓越的性能，使其成为最有前景的选择。然而，电化学气体传感器常采用常规溶剂，存在溶剂易蒸发、生命周期短的问题。可以通过使用室温离子液体(RTILs)代替传统溶剂来避免这些问题，其具有各种各样吸引人的物理和化学性质，包括无毒、低蒸气压、高导电性、宽电化学窗口、高的物理化学稳定性和对于一系列气体的高溶解度。特别是可以忽略不计的蒸气压消除了溶剂蒸发的问题，使得人们将其作为氧传感器电解质的研究非常成功。本论文合成了咪唑基离子液体作为氧气传感器的电解质，并对离子液体(ILs)进行改性以提高电解质的电化学性能和氧敏感性能。
　　本论文采用简单的一锅法成功制备了室温下呈固态的1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（EMIMPF6）和1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（PMIMPF6），以及室温下呈液态的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF6)，并对上述三种ILs进行电化学测试，结果表明BMIMPF6性能最佳，并对BMIMPF6进行改性。将湿化学还原法制得的铂纳米颗粒修饰的酸化有序介孔碳(Pt/CMK-3-COOH)与BMIMPF6均匀混合，经测试可知，氧气浓度与响应电流呈现良好的线性关系，证明该混合体系作为电解质组装的传感器对氧气有较好的敏感性能。
　　为改善单一ILs黏度大的弊端，考虑采用两种ILs混合的实验思路，为了操作方便，从三种ILs中选取室温下为液态的BMIMPF6，将1-乙烯基咪唑(VIM)与其混合，通过调整两种ILs的质量百分比，得出性能最佳的配比，再按照这个配比将固态EMIMPF6和PMIMPF6分别与VIM混合，通过分析循环伏安(CV)、交流阻抗(EIS)和计时电流等电化学测试结果，得知40％EMIMPF6+60％VIM性能最佳。并在此基础上混入电沉积法制得的钴包覆的碳纳米线(Co/C)，通过一系列测试，确定38％EMIMPF6+57％VIM+5％Co/C复合材料具备最佳的电化学性能和氧敏性能。
　　采用VIM分别与溴乙烷(C2H5Br)、溴丙烷(C3H7Br)和溴丁烷(C4H9Br)通过控制实验温度和反应时间合成三种1-烷基-3-乙烯基咪唑溴盐(AVIMBr)中间体，再通过24h的冷凝回流交换阴离子，制得三种1-烷基-3-乙烯基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐(AVIMTFSI)。通过一系列电化学测试可知，1-丁基-3-乙烯基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐(BVIMTFSI)的性能较优，再向该ILs中加入VIM制备共混体系并测试该混合体系的电化学性能和氧敏性能，最后通过加入八氟戊醇共溶剂，通过降低ILs黏度进而提高了ILs导电率，结果表明ILs的性能得到显著提升。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1引言

1．2离子液体

1．2．1离子液体的概述

1．2．2离子液体的发展历程

1．2．3离子液体的分类

1．2．4离子液体的物理化学性质

1．3电化学氧气传感器

1．3．1电化学氧气传感器的概述

1．3．2电化学传感器的发展历程及研究现状

1．3．3电化学传感器的种类

1．3．4离子液体在电化学气体传感器中的应用

1．4论文的研究目的和意义

1．5论文研究内容

第2章实验及表征方法

2．1实验试剂

2．2实验仪器

2．3表征方法

2．3．3 X射线衍射技术(X-ray Diffraction，XRD)

2．3．4扫描电子显微技术(Scanning Electron Microscope，SEM)

2．3．6差示扫描量热法(Differential Scanning Calorimetry，DSC)和热重分析(Thermogravimetric Analysis，TG)

2．3．7电化学测试方法

2．4本章小结

第3章铂金属和碳材料功能化的烷基咪唑离子液体的制备及其氧敏性能研究

3．1引言

3．2实验部分

3．2．3 Pt／CMK-3-COOH-BMIMPF6的制备

3．3结果与讨论

3．3．1 AMIMPF6、CMK-3和CMK-3-COOH的结构分析

3．3．2 AMIMPF6的电化学测试

3．3．3 Pt／CMK-3-COOH-BMIMPF6的氧敏性测试

3．4本章小结

第4章钴金属和碳材料功能化的烷烯基混合咪唑离子液体的制备及其氧敏性能研究

4．1引言

4．2实验部分

4．2．1 AMIMPF6离子液体的制备

4．2．2 AMIMPF6-VIM离子液体混合体系的制备

4．2．3 Co／C无机催化剂的制备

4．3结果与讨论

4．3．1 XRD和SEM分析

4．3．2 AMIMPF6-VIM混合体系的电化学测试

4．3．3 Co／C加入体系前后的电化学测试

4．3．4 38％EMIMPF6+57％VIM+5％Co／C的氧敏性测试

4．3．5 38％EMIMPF6+57％VIM+5％Co／C的稳定性测试

4．4本章小结

第5章八氟戊醇与烷烯基咪唑离子液体混合体系的制备及其氧敏性能研究

5．1引言

5．2实验部分

5．2．1 AVIMBr的制备

5．2．2 AVIMTFSI的制备

5．3．1 BVIMTFSI的结构分析

5．3．2 AVIMTFSI的电化学测试

5．3．3 BVIMTFSI-VIM共混体系的电化学测试

5．3．4 19％BVIMTFSI+76％VIM+5％C5H4F8O共混体系的氧敏性测试

5．4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢