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。 离子液体作为一类新型绿色介质, 近年来获得了突飞猛进的发展。离子 液体的多项应用研究正在进行中试或工业性试验, 甚至已经进入产业化 阶段。推动离子液体