[SiC8im]Br-和[SiC10im]Br-离子液体的嫁接技术研究.ppt

德州学院学士学位论文答辩,SiC8imBr-和SiC10imBr-离子液体的嫁接技术研究 姓 名：毕建兵 指导教师：张存兰 德州学院化学系,1 引言 2 实验部分 2.1 实验试剂及仪器 2.2 实验原理 2.3 实验步骤 3 实验结果及分析 4 结果与讨论 5 致谢,内容简介,1 引言 1.1 概述,离子液体（Ionic Liquid）是一种新型的绿色介质。在室温或者稍高于室温的环境下呈液态的例子体系。简而言之，离子液体就是完全由正负离子组成的室温下为液体的盐。由于其阴阳离子数目相等，因而整体显电中性。离子液体与传统有机溶剂不同,具有蒸汽压低、不挥发、无毒、不易燃易爆、不易氧化,具有较高的热稳定性4 ，对很多无机物、有机物和聚合物具有良好的溶解性5,而且可以通过改变阴阳离子的结构调节其性质。由于离子液体的这些特性，使其在有机化学合成、有机化学催化、无机化学合成、电化学、绿色化学和分离过程等领域显示出良好的前景。,1.2离子液体的发展及组成,对于离子液体的历史可以追溯到1914年6，当时walden报道了(EtNH3)NO3的合成 (熔点12)。这是最早的离子液体。从1929年，sugden7将乙胺与20%硝酸反应后，减压除去水分，得到油状液体开始，陆续出现了各种类型的离子液体，它们都是良好的有机绿色溶剂。 1948年美国专利报道了主要用于电镀领域的三氯化铝和卤化乙基吡啶离子液体8，可称之为第一代室温离子液体。到了20世纪90年代， 稳定性更好的由二烷基咪唑阳离子和四氟硼酸。六氟磷酸阴离子构成的室温离子液体产生了9。2 000年以来，二烷基咪唑类离子液体的种类和功能被进一步地丰富，主要思路和做法之一是将二烷基咪唑侧链引入官能团，制备出功能化离子液体，从而赋予离子液体以某种特殊性质、用途和功能。,根据阴离子的组成可以将离子液体分为两大类：一类是组成可调的氯铝酸类离子液体;一类是其组成固定，大多数对水和空气稳定的其他阴离子型离子液体 。 根据离子液体在水中的溶解性不同，大体上可以将其分为亲水性离子液体和憎水性离子液体。此外，根据离子液体的酸碱性还可以把室温离子液体分为Lewis酸性、Lewis碱性和中性离子液体。,1.3离子液体的合成研究,1.3.1 传统的离子液体合成方法 （1）一步合成法 通过酸碱中和反应或季铵化反应一步合成离子液体，操作经济简便,没有副产物,产品易纯化。硝基乙胺离子液体可以由乙胺的水溶液与硝酸中和一步合成；将咪唑鎓盐或烷基咪唑与所需阴离子的酸，在一定溶剂中发生中和反应,可得到设计的室温离子液体；通过季铵化反应也可以一步制备出多种离子液体，如1-丁基-3-甲基咪唑盐EMImCF3SO3,BMImCl等 。 （2）两步合成法 第一步为卤代烷RX与构成离子液体的阳离子的单体通过季铵化(或烷基化)反应制备出含目标阳离子的卤化物。 第二步为目标阴离子Y-置换出X-阴离子或加入Lewis酸MXy来得到目标离子液体。 两步合成法的优点是普适性好、收率高。,1.3.2 新型合成方法 （1）超声波辅助合成（2）微波辅助合成 （3）电化学合成（4）液液萃取法（5）其他合成法 1.4 离子液体的应用（1）离子液体在分离中的应用（2）离子液体在化工方面的应用（离子液体为介质的MMA清洁工艺、离子液体油品脱酸新工艺、离子液体为催化剂的乙二醇节能新工艺（3）离子液体在生物质能源中的应用（4）电解、电池及储能技术,1.5 超疏水表面研究现状概述 一般来说，制备超疏水性表面必须满足两个条件:一是物质的表面具有很低的固体表面能;二是在低表面能物质的表面上构建有一定粗糙度的微米与纳米相结合的阶层结构。其一，表面材料的润湿性是决定亲水和疏水的前提，因此，低表面能物质是是疏水性的最基本条件。其二，表面微细结构是显著提高其疏水性能的关键因素。从接触角方面来看，决定其疏水性的主要是表面基团，形貌仅仅强化这一效果20。因此，在低表面能物质上构建粗糙表面和在粗糙的表面结构上修饰低表面能的物质，是研制仿生超疏水性涂层的基本途径。,2 实验部分 2.1 实验药品及仪器,实验试剂： N-3,(三乙基硅烷基)丙基-4,5双氢咪唑（英文名称：N-(3-TRIETHOXYSILYLPROPYL)-4,5-DIHYDROIMIDAIOLE） 溴代正癸烷 CH3(CH2)9Br;（英文名称 1-Bromodecane）符合Q/HG NK 204-2000出自成都西亚化工股份有限公司。 溴代正辛烷 （英文名称1-Bromooctane） 符合Q/HG NK 204-2000 出自成都西亚化工股份有限公司。 实验仪器：FA2004B型电子天平（准确度级别） JBZ-14B 型磁力搅拌器及FATO电压调节器 旋转蒸发器RE-52AA 200ml烧杯，小型圆底烧瓶，冷凝管，装有N2橡皮手套各两个及必要仪器若干。,2.2 实验原理,本文运用传统的合成法加热回流法，以N-3,(三乙基硅烷基)丙基-4,5双氢咪唑与溴代烷（1-Bromodecane和1-Bromooctane）为底物反应制备SiC8imBr-和SiC10imBr-离子液体。,2.3 实验步骤,（1） 离子液体的合成 （2）清洗玻璃片和单晶硅片：,(1)离子液体的合成,（1）（N-3,(三乙基硅烷基)丙基-4,5双氢咪唑与溴代正辛烷）制取离子液体。准确称取N-3,(三乙基硅烷基)丙基-4,5双氢咪唑2.74g(0.01mol)和溴代正辛烷5.79g(0.03mol)于小型圆底烧瓶中放入磁子置于油浴锅中，接好仪器，用N2做保护气。将油浴温度控制在78左右（电压约55V）加热回流约21h。反应原理如下式。然后在旋转蒸发器（RE-52AA 巩义市予华仪器有限责任公司）且加入乙醚作用下洗涤产品。除去杂质等，密封放置留用红外核磁表征。,（2）（N-3,(三乙基硅烷基)丙基-4,5双氢咪唑与溴代正癸烷）制取离子液体。准确称取N-3,(三乙基硅烷基)丙基-4,5双氢咪唑药品1.37g(0.005mol)和溴代正癸烷3.316g(0.015mol)于小型圆底烧瓶中放入磁子置于油浴锅中，其他步骤同上，其反应式如下：,(2)清洗玻璃片和单晶硅片：,（1）先用洗洁精将每一块玻璃片和单晶硅片仔细清洗; （2）将清洗后的玻璃片和单晶硅片放入装有自来水和洗洁精溶液烧杯中，放入超声波仪中，超声洗涤10分钟; （3）然后分别用自来水，去离子水，丙酮，无水乙醇超声洗涤10分钟； （4）洗涤完成后，用氮气吹干； （5）配制Piranha溶液Piranha溶液，配置方法如下：,将用氮气吹干玻璃片和单晶硅片放置于Piranha溶液中，在90的恒温下，浸泡45分钟，然后取出玻璃片和单晶硅片（玻璃片和单晶硅片经强氧化剂清洗后，表面生成SiO2层。清洗后的基片表面会生成带负电荷的阴离子,玻璃基片为例：玻璃基片在空气中能够吸附一定量的水分，这类水以-OH的形式与硅元素相结合生成硅羟基团或硅酸。硅酸在溶液中会店里生成HiSO3-或SiO32-，使玻璃基片表面带负电荷。）；单晶硅片的羟基化过程如下式所示： Si +H2O2 2Si-OH Si-O-Si + H2O 2Si-OH 将已羟基化的玻璃片和单晶硅片用去离子水超声洗涤两次，每次10分钟；将洗好的玻璃片和单晶硅片用氮气吹干，最后将洗涤后，吹干的玻璃片和单晶硅片放置于无尘干燥的环境下保存，留存备用。在基底上嫁接离子液体：按如下反应式进行嫁接反应：,锥形瓶底部，使玻璃片和单晶硅片之间不相互重叠）。加热到100，反应21小时，停止反应。首先将甲苯溶液倾倒出，然后将载玻片倒在蒸发皿中，用甲苯清洗除去附着在上面的杂质和溶质等，然后用氮气吹干。将吹干后的载玻片运用原子力显微镜（AFM）观察其表面形态，接触角测定仪评价其面能。,2.4结果与分析,（1）在玻璃片基底上各种情况所示：,没用Piranha溶液洗CA=481,用Piranha溶液洗CA=121,（2）嫁接Si-C12-IL后玻璃片表面接触角变化： 没用Piranha清洗的玻璃片结果如下图所示：,CA平均 67.7o,CA=1110,用Piranha溶液清洗后的玻璃片结果如下图所示：,（3）玻璃片上接触角的变化情况总结：,从实验结果来看，我们知道嫁接前，未用Piranha溶液处理，用Piranha溶液处理三种,情况下的接触角分别为121，67.7，90，观察实验结果存在一定的误差。,2.4.1 误差分析：,（1）由于水滴的大小并不稳定，对测试数据有一定的影响 （2）由于接触角是用photo shop方法测量出来的，所以存在的误差比较大。但是经过Piranha溶液处理后，玻璃片上的接触角平均都是90。 3.1离子液体单分子膜表面形态的检测 （1）离子液体单分子膜表面形态的AFM图如下所示：,空白玻璃RMS=0.436nm,嫁接离子液体膜的玻璃片 RMS=0.784nm,（2）离子液体单分子膜表面形态的Phase模式如下图所示：,长有离子液体膜的玻璃,空白玻璃,现象分析：,通过对得到的原子力显微镜图像进行剖面分析（section analysis）可以得到膜的厚度为0.941nm，而通过计算得到分子的长度要在2nm以上，说明膜不致密，估计分子有足够的空间弯曲，这可能也是影响接触角的一个因素。,3.2 实验成果,（1）经检测所得嫁接了离子液体膜的玻璃片和单晶硅片的接触角均为90，是目前有文献报道的离子液体膜膜中最大的；（2）通过共价键与载玻片基底相连，克服了力学强度差的局限性；（3）离子液体膜具有很高的稳定性；（4）离子液体膜的透光性很好，玻璃片和单晶硅片与嫁接离子液体膜之前相比没有明显的区别；（5）实验室制备离子液体膜的方法十分简单，易行。,3.3实验结论与展望,本实验主要分两步进行：第一步制备离子液体；第二步将离子液体嫁接到玻璃片及制备离子液体膜。第一步反应是在真空，氮气保护的状态下进行的，反应条件在实验室易于创造，并且实验过程比较安全；第二步反应是100的条件下进行的，由于反应在油浴锅中进行的，所以要防止油浴锅温度过高产生危险。 实验检测所得的离子液体膜的表面形态AFM图和Phase图均可明显的显现出离子液体膜的形态，并且离子液体膜的部分性质也得到证明；接触角检测的结果也符合现有的文献报道，并且明显的反映出了经Piranha溶液处理前后的载玻片基底上接触角的差别。实验结果还是十分令人满意的。 离子液体