纳米级液/液界面离子转移反应的电化学研究

摘要

液/液界面上的离子转移反应与许多重要的化学和生物体系密切相关，如化学传感器、生物膜和药物释放体系。与大液/液界面相比，纳米管支持的纳米级液/液界面具有很多优良的电化学特性，如传质速率非常快及可以克服欧姆电位降，因此其在液/液界面离子转移反应的研究中具有重要的理论和应用意义。本论文主要研究了纳米管支持的纳米级液/液界面离子转移反应的动力学以及离子的扩散，研究结果如下:
　　 (1)将微米管进行硅烷化，采用TEA+在微米管支持的水/1，2二氯乙烷界面上转移反应的循环伏安法对硅烷化效果进行表征，测得TEA+在DCE中的扩散系数为10.2×10-6cm2/s。采用改进了的硅烷化方法处理纳米管，即用三甲基氯硅烷的蒸汽硅烷化纳米管，SEM和共同离子循环伏安法表征结果表明该方法硅烷化纳米管的效果较好。采用共同离子循环伏安法表征TEA+在硅烷化的纳米管支持的水/DCE界面上的转移反应，理论曲线和实验曲线拟合得到TEA+转移反应的动力学参数为k0=7.2±0.4cm/s，α=0.49±0.09。α值符合理论期望值，k0和α均独立于纳米管的半径表明TEA+的转移反应没有受到界面双电层效应的影响。将实验得到的TEA+转移反应动力学参数和以前测得的离子仅存在于一相中得到的动力学参数进行比较，探讨了存在差异的原因。拟合得到的动力学参数准确性主要取决于循环伏安图的质量，尤其是循环伏安曲线的电容电流大小。
　　 (2)采用改进的硅烷化方法硅烷化纳米管，TBA+和C8mim+的共同离子循环伏安法表征结果表明纳米管的硅烷化效果好。当共同离子在离子液体里的浓度约为其在水溶液中的浓度三十倍，且电位扫描速率非常小时，才能得到正负稳态极限扩散电流相似且回溯性好的循环伏安图。使用硅烷化的纳米管测得TBA在离子液体[THTDP+][C4C4N-]里的扩散系数为(2.04+0.18)×10-8cm2/s，C8mim+在离子液体里的扩散系数为2.08×10-8cm2/s，与TBA+基本相同。
　　 (3)采用共同离子循环伏安法表征TBA+和C8mim+在硅烷化的纳米管支持的水/离子液体[THTDP+][C4C4N-]界面上的转移反应。拟合得到的TBA+转移反应的动力学参数为k0=0.14±0.02cm/s、α=0.48+0.06，C8mim+转移反应的动力学参数为k0=0.17±0.01cm/s、α=0.49±0.06。α值均符合理论的期望值，但是由于离子在高黏度的离子液体里的扩散非常缓慢，k0远小于离子在水/有机溶剂界面上的标准速率常数。k0和α均独立于纳米管的半径表明TBA+和C8mim+的转移反应没有受到界面双电层效应的影响。测得在不同半径纳米管支持的水/离子液体界面上ClO4-和TBA+的移出电流的比值符合理论期望值，表明带负电荷的纳米管管壁产生的静电效应没有显著影响离子从纳米管内向管外的转移反应。通过改变电位扫描速率研究水/离子液体界面反馈的动力学特征，表明不同的电位扫描速率得到的循环伏安曲线没有受到水/离子液体界面双电层结构缓慢弛豫的影响。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 液/液界面的电化学研究

1．1．1 液/液界面电化学的发展

1．1．2 液/液界面的结构及模型

1．1．3 微、纳米管支持的液/液界面

1．2 液/液界面上的离子转移反应

1．2．1 液/液界面上电荷转移反应的分类

1．2．2 液/液界面的离子转移反应动力学参数

1．2．3 液/液界面上离子转移稳态伏安图的分析方法

1．2．4 液/液界面上离子转移反应的实验问题

1．3 本论文的主要研究目的及研究内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 研究内容

2 纳米管支持的水/1,2-二氯乙烷界面上离子转移反应的动力学研究

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 实验试剂及主要仪器

2．2．2 实验方法

2．3 实验表征方法

2．3．1 玻璃管形貌表征

2．3．2 循环伏安法表征

2．4 结果与讨论

2．4．1 微米管硅烷化效果的循环伏安法表征

2．4．2 纳米管硅烷化效果的SEM表征

2．4．3 纳米管硅烷化效果的共同离子循环伏安法表征

2．4．4 纳米管几何参数和热力学参数的测定

2．4．5 共同离子循环伏安图的动力学分析

2．5 本章小结

3 纳米管支持的水/离子液体界面离子扩散的研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 实验试剂及主要仪器

2．2．2 实验方法

3．3 实验表征方法

3．4 结果与讨论

3．4．1 纳米管硅烷化效果的循环伏安法表征

3．4．2 TBA+在离子液体里扩散系数的测定

3．4．3 C8mim+在离子液体里扩散系数的测定

3．5 本章小结

4 纳米管支持的水/离子液体界面上离子转移反应的动力学研究

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 实验试剂及主要仪器

4．2．2 实验方法

4．3 实验表征方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 TBA+在水/离子液体界面上转移反应的动力学参数

4．4．2 C8mim+在水/离子液体界面上转移反应的动力学参数

4．4．3 静电效应对传质的影响

4．4．4 水/离子液体界面反馈的动力学

4．5 本章小结

5 结论

致谢

参考文献