基于离子液体的电化学电容器及其影响因素的研究

摘要

室温离子液体是指在室温或室温附近温度下呈液态由离子所构成的物质，它是继水和超临界二氧化碳后又一类绿色溶剂体系。与传统的有机溶剂和电解质相比，离子液体具有独特的物理化学性质。近年来，作为一种新颖的介质，室温离子液体在电化学领域的应用也越来越受到人们的重视。本工作结合实验室的研究兴趣，合成了一些新型的离子液体并测定了它们的物理化学性质。研究了微量水和有机溶剂对离子液体物理化学性质的影响，在基础上用BMIMPF6/有机溶剂溶液体系对聚噻吩的电化学合成和在这种新的混合体系中的电化学行为作了研究，并用离子液体[1-丁基—3-甲基咪唑][六氟磷酸](BMIMPF6)做为超级电容器的电解液溶液制作了超级电容器，而且对它的性能进行了测试。得到了一些初步的结果： 1)本文成功合成1-丁基—3-甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF6)和1-丁基—3-甲基咪唑四氟硼酸盐(BMIMBF4)离子液体。并成功合成了新型的三乙胺对甲苯磺酸离子液体和N—甲基咪唑对甲苯磺酸离子液体，合成的此类离子液体优点是合成方法简单，产率高。并考察了不同配比的三乙胺对甲苯磺酸离子液体和N—甲基咪唑对甲苯磺酸离子液体的粘度、导电率，比较了两种离子液体的电化学窗口，N—甲基咪唑离子液体的电化学窗口较宽，大约为2.0V左右。三乙胺对甲苯磺酸离子液体的热稳定性能达到280℃，比对甲苯磺酸的热稳定性好。 2)在离子液体中加入少量水或有机溶剂或改变温度均可显著地改变其物理化学性质.将不同水蒸气(或二氯甲烷有机溶剂蒸汽)浓度的气氛通入1-丁基—3甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF6)离子液体，形成含少量水或者有机溶剂的离子液体，应用交流阻抗技术对不同水含量的1-丁基—3甲基咪唑六氟磷酸盐(BMIMPF6)离子液体/玻碳电极界面双电层电容进行了测定，并利用红外光谱技术测定了BmimPF6中水分子的结构。通过测定此类混合组分的黏度和导电率发现少量水和有机溶剂二氯甲烷的加入促进离子液体的离子解离，降低离子液体的粘度，使得自由移动的离子增多，增加溶液的电导率，加快电极表面的反应速率。 3)选择常用的离子液体[1-丁基—3-甲基咪唑][六氟磷酸](BMIMPF6)，并在此离子液体中，成功的在玻碳电极上电化学合成了聚噻吩。在测定不同BMIMPF6/乙腈及BMIMPF6/碳酸丙二醇脂电解质溶液的黏度和导电性的基础上，利用电化学循环伏安法研究了电解质溶液组成对聚噻吩膜电化学行为的影响。在BMIMPF6离子液体中，加入乙腈或碳酸丙二醇脂可以降低溶液的黏度，改变溶液的导电率。聚噻吩在混合溶剂作为电解液中的氧化参杂电量聚噻吩的氧化参杂电量与混合溶液的电导率呈明显的线性关系，当离子液体的体积含量为25％时，溶液的电导率达到最大，氧化惨杂的电量也达到最大。在25％乙腈/BMIMPF6混合溶液中，聚噻吩的氧化掺杂电量较纯BMIMPF6离子液体提高了近7倍。 4)用活性炭、活性炭/离子液体、介孔炭为电极材料，离子液体为电解液，成功制作成了超级电容器。采用循环伏安和恒电流充放电方法对电极和电容器进行性能测试.结果表明：在活性炭中加入适量离子液体所制成的活性炭/离子液体电极比单纯由活性炭制成的电极的内阻要小，由此制作的电容器的比容量相对要大，充放电效率也有所改善。而和购买的商品化的活性炭相比，采用实验室合成的新材料的介孔炭作为电极材料，能够获得更大的比电容，但是相对于活性炭，这种材料所制作成的电容器的内阻要大。并在此基础上制备了一种以凝胶为电极和隔膜，不加入液体状的电解液的新型的超级电容器

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1室温离子液体的发展概况及其独特的物理化学性质

1.2室温离子液体的合成

1.3导电聚合物的发展概况及其在电化学中的应用

1.4室温离子液体在导电聚噻吩合成与研究中的应用

1.5超级电容器的发展概况、特点及其应用

1.6离子液体在双电层电容器中的应用

1.7本论文的研究意义和主要研究工作

第二章新型室温离子液体的合成及其物理化学性质测定

2.1引言

2.2实验部分

2.2.1实验药品和仪器

2.2.2实验步骤

2.3结果与讨论

2.3.1 BmimPF6的表征

2.3.2 BmimBF4的表征

2.3.3三乙胺对甲苯磺酸盐与N-甲基咪作对甲苯磺酸盐粘度的测定

2.3.4三乙胺对甲苯磺酸盐与N-甲基咪唑对甲苯磺酸盐导电率的测定

2.3.5三乙胺对甲苯磺酸盐与N-甲基咪唑对甲苯磺酸盐电化学窗口的测定

2.3.6三乙胺对甲苯磺酸盐与N-甲基咪唑对甲苯磺酸盐热稳定性的测定

2.4小结

第三章微量水或有机溶剂对离子液体物理化学性质的影响

3.1引言

3.2实验部分

3.2.1仪器与试剂

3.2.2实验步骤

3.3结果与讨论

3.3.1微量水对离子液体结构和物理化学性质影响

3.3.2有机溶剂二氯甲烷对离子液体物理化学性质的影响

3.4结论

第四章BMIMPF6/有机溶剂溶液性质对导电聚合物聚噻吩电化学性能的影响

第五章基于离子液体和炭材料的超级电容器的制作和性能测试

5.1引言

5.2实验部分

5.2.1实验药品和仪器

5.2.2实验步骤

5.3结果与讨论

5.3.1不同类型的电容器循环充放电性能测试

5.3.2不同类型的电容器在不同充放电电流下的性能比较

5.3.3循环伏安性能测试

5.4 结论

参考文献

致谢

攻读学位期间研究成果