功能化室温离子液体的制备及其在湿度和氧气传感器中的应用

论文摘要

由于离子液体的阴阳离子具有可调控性,可以在离子液体的阴阳离子上连接各种不同的官能团,得到具有独特性能和反应活性的功能化离子液体。以羟基有机胺（N,N-二甲基乙醇胺,三乙醇胺）为原料与1,3-磺酸内酯反应合成了一系列含有羟基和磺酸基双官能团的内盐,并将所得到的内盐分别与三种强酸（对甲苯磺酸,三氟磺酸,甲磺酸）反应,成功地合成了双功能化室温离子液体,并通过红外光谱、核磁氢谱测定,证实了内盐和双功能化离子液体的结构。优点是合成方法简单,产率高。使用热重分析仪测定了双功能化室温离子液体热稳定性,热稳定性在563K和573K之间。该内盐和离子液体中的活性羟基的存在,为进一步引入其他功能基团或制备离子液体聚合物提供了切实有效的基础。将四氰基对醌二甲烷（TCNQ）作为电化学探针溶解在疏水性离子液体1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIPF6）中,将含有TCNQ的离子液体BMIPF6溶液固定在多孔聚乙烯薄膜中,覆盖在自制的传感器的三电极表面。将水饱和气体和干燥气体通入气体混合配比器得到不同相对湿度的气氛,采用微分脉冲伏安法,循环伏安法,方波伏安法测定TCNQ在不同相对湿度下的氧化还原电流和充电电流,研制一种新型的湿度传感器。实验结果表明,氧气对TCNQ的第一步的电化学还原氧化行为没有影响;在水饱和氮气气氛下,TCNQ在离子液体BMIPF6中的扩散系数比在干燥氮气气氛下增加了约2.9倍。该湿度传感器的响应峰电流在相对湿度为0%100%之间成线性响应;方波伏安法测定得到的充电电流与相对湿度在0%100%之间也成线性关系,同样可以用来测定气氛中相对湿度的大小。采用方波伏安法,传感器的灵敏度最高;稳定性好;响应时间较短,水饱和N2下的响应时间为21-28s,干燥N2下的响应时间为42-49s。这种以TCNQ为电化学探针和以离子液体为电解质的新型的电化学安培型湿度传感器有望应用于大气湿度检测。在BMIPF6离子液体中加入酸性离子液体磺酸丙基三乙基铵甲基磺酸盐,配成酸性的离子液体溶液。将得到的酸性的离子液体溶液固定在大孔薄膜中,覆盖在自制的传感器三电极的表面,研制氧气传感器。氧气还原产生的超氧离子自由基与质子反应生成过氧化氢,避免了超氧离子的强氧化性作用。但由于酸性的离子液体溶液的粘度较大,降低了氧气在离子液体中的扩散系数,导致氧气的还原电流降低,同时增加了传感器的响应时间,约为50s。改变气流中的湿度大小会对氧气在离子液体溶液中的扩散系数产生影响,导致氧气的还原电流随着湿度的变化而变化。通过使用多步电位阶跃实验,气体混合配比器控制混合气体中氧气的浓度,各种不同的饱和盐水控制气体的湿度,测定在不同湿度和不同氧气浓度下的氧气稳态还原电流。将研制的湿度传感器与此氧气传感器同时使用,通过湿度传感器校正气氛的湿度大小,氧气传感器就可以在不同的湿度气氛下测定气氛中氧气的浓度。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 室温离子液体的概况
• 1.1.1 室温离子液体的发展概况及其独特的物理化学性质
• 1.1.2 室温离子液体的合成
• 1.2 功能化室温离子液体的发展
• 1.3 室温离子液体在气体传感器和湿度传感器中的应用
• 1.3.1 电化学型气体传感器
• 1.3.2 石英晶体微天平气体传感器
• 1.3.3 电导型湿度传感器
• 1.4 本论文的研究意义和主要工作
• 1.4.1 研究意义
• 1.4.2 主要工作
• 第二章 室温离子液体及双功能化室温离子液体的制备
• 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
• 6的表征'>2.3.1 BMIPF₆的表征
• 2.3.2 双功能化离子液体的结构表征和性质测定
• 2.4 结论
• 第三章 室温离子液体在新型安培型湿度传感器中的应用研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 仪器与试剂
• 3.2.2 传感器实验装置的制备
• 3.3 结果与讨论
• 6溶液中的电化学行为'>3.3.1 TCNQ 在离子液体BMIPF₆溶液中的电化学行为
• 3.3.2 循环伏安法测定湿度传感器的响应性能
• 3.3.3 氧气对湿度传感器的影响
• 3.3.4 水对传感器工作电极界面双电层电容的影响
• 3.3.5 湿度传感器的响应时间与稳定性
• 3.4 小结
• 2传感器中的应用研究'>第四章 酸性离子液体在电化学安培型O₂传感器中的应用研究
• 4.1 引言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 仪器与试剂
• 6溶液的配制'>4.2.2 甲基紫精的BMIPF₆溶液的配制
• 4.2.3 湿度的制备
• 4.2.4 传感器实验装置的制备
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 甲基紫精催化还原氧气
• 4.3.2 酸性的离子液体作为敏感材料研制氧气传感器
• 4.4 小结
• 参考文献
• 附录攻读学位期间发表的学术论文与专利目录
• 致谢