| 题名 | 受限空间内室温离子液体的微观结构研究 |
| 作者 | 沙茂林 |
| 学位类别 | 博士 |
| 答辩日期 | 2009-05-14 |
| 授予单位 | 中国科学院上海应用物理研究所 |
| 授予地点 | 上海应用物理研究所 |
| 导师 | 吴国忠 |
| 关键词 | 室温离子液体 受限空间 相转变 界面 原子力显微镜 分子动力学模拟 |
| 其他题名 | Microstructural Studies of Room Temperature Ionic Liquids (RTILs) Confined at Interfacial Space |
| 中文摘要 | 室温离子液体是由有机阳离子和无机阴离子构成的，在室温附近呈现液态的一种新型熔融盐。室温离子液体作为一种新型的绿色溶剂和重要的液态功能材料，目前已经受到了广泛的关注。它的阴阳离子的可设计性和不同的亲疏水性，为化学家设计不同功能特性的离子液体应用于各种工业领域提供了可能。特别在表面催化、燃料电池中的电解质和导电复合材料方面，离子液体已经有大量的实际应用需求。而这些应用当中都要涉及离子液体吸附于固体表面或受限于纳米空间中。因此，本论文以分子动力学模拟为主要方法，辅助于原子力显微镜的实验手段，重点研究了离子液体在各种固体表面形成的分子层的微观结构，并且进一步研究了离子液体受限在双壁之间的相转变等特性，详细分析了离子液体受限形成的新固体相的微观结构，探讨了形成这种结构的原因和机理。 我们利用原子力显微镜方法并结合分子动力学模拟方法，研究了离子液体[Bmim][PF6]在石墨表面的微观结构。通过原子力显微镜，我们发现离子液体和甲醇的混合溶液在不同浓度时可以在石墨表面分别出现纳米液滴、多层和单层的结构。而发现的离子液体单层结构非常稳定，并且高度约为0.5~0.7nm。随后，我们用分子动力学模拟方法进一步研究了离子液体在石墨表面的层状结构。其模拟结果与实验结果相一致，其单层高度都在0.6nm左右。我们还研究发现，离子液体在接近石墨的底层中其阳离子的咪唑环和丁基链都平行地躺在石墨表面。这种有序性是随着离子液体远离石墨表面接近体相而逐渐消失的。 我们还同时研究了离子液体在带负电的二氧化硅表面的微观结构。通过分子动力学的方法验证了实验中推测出的在负电荷的表面离子液体会产生双层结构，并进一步指出这种双层结构受表面电荷调控的依赖关系。我们发现，在比较大的负电荷时（大于-0.025e），离子液体不仅会在固体表面形成双层结构，并且诱使体相也产生液态的双层结构。从而通过表面电荷来诱导体相的离子液体发生一种新的液液相转变。还发现在新形成的双层结构中，其最靠近表面的阳离子层中的阳离子与咪唑环都平行于负电荷表面。 我们首次利用分子动力学方法详细研究了常见的离子液体，1，3-二甲基咪唑氯盐（[Dmim][Cl]）的单层被受限在疏水石墨壁间，随壁距离改变而产生的液固相转变的行为。研究结果显示，受限的离子液体单层在温度为425K，疏水石墨壁间距离为0.65nm-0.90nm范围内，发生了一个从液体单层转变为固体单层的显著的一级相转变。进一步分析我们可以发现，在新的固体单层中，形成了每一个阳离子周围有四个近邻阴离子和每一个阴离子周围也有四个近邻阳离子的氢键网络结构。这与体相晶体很不同，在体相晶体里，每个阴离子被两个共平面的阳离子所包围。而在液体单层中，这种网络结构造到了破坏。研究还发现，这种液固相转变只会在分子数密度约为1.9/nm2时才会发生。 通过改变壁间距离，我们还发现双层离子液体[Dmim][Cl]受限在疏水石墨壁间的相转变行为。发现在合适的距离，约1.1nm左右，离子液体液体双层可以产生一级相转变而变成固体双层。新的固体双层中，每个阳离子被三个最近邻的阴离子所包围；相似的是每个阴离子同样也被三个最近邻的阳离子所包围。在双层固体中上层的阳离子的咪唑环都和下一层的阳离子咪唑环形成强烈的π-π堆叠相互作用，而阴离子则形成一个正六角环的形状围绕在阳离子周围。计算固体双层的熔融点我们发现，它相比于体相晶体是一种高熔融点的晶体。 通过上述研究，总结出了离子液体在不同的固体表面或者受限空间里可以发生各种新奇的相转变，形成特殊的分子层结构。这将会启发更多的关于受限空间内的离子液体微观结构研究，为离子液体在固体催化、电化学和燃料电池等领域的潜在应用提供重要的参考价值。 |
| 语种 | 中文 |
| 公开日期 | 2012-04-11 |
| 页码 | 139 |
| 内容类型 | 学位论文 |
| 源URL | [http://ir.sinap.ac.cn/handle/331007/7325]  |
| 专题 | 上海应用物理研究所_中科院上海应用物理研究所2004-2010年 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 沙茂林. 受限空间内室温离子液体的微观结构研究[D]. 上海应用物理研究所. 中国科学院上海应用物理研究所. 2009. |
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