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

来源 :哈尔滨工程大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangduanhua870505
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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24 h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。
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