离子液体-分子溶剂二元体系相互作用机理及光谱学研究

Some important frontier areas in fundamental research of ionic liquids(ILs) sciences will be investigated in this project, especially the studying of new theories，methods and techniques for the coupling interactions in the binary mixtures of ILs/molecular solvents. Based on the multi-scale spatial and time resolved spectroscopic instrumentations that we have established, we will develop new experimental femtosecond time-resolved spectroscopy techniques. By using these methods, a series of binary mixtures composed of ionic liquids and organic solvents will be systematically studied from ion/molecular to nano-structure levels. The main investigation tasks include: a systematic research on the stucture of imidazolium-based ionic liquids and the interactions between these ionic liquids and protic and aprotic solvents, determination of the possible steric configuration from spectral properties and quantum-chemical calculations, investigation of the mechanism of interaction between the ionic liquids and different solvents, analysis of the influence of molecular configuration such as alkyl chain length on the interaction between ionic liquids and organic molecules, revealing the correlation mechanism between different scales and research multi-scale microstructure changes under different conditions, probing solvation dynamics with multi-timescale resolution spectroscopy methodologies. Through this research project, new breakthroughs on the frontier of scientific research and innovative ideas will be acquired in dealing with scientific issues of "ionic liquid / molecular solvent of micro structure and interaction detection". All of these studies will provide scientific basis for new developments in information technology, material science, environmental protection, energy production and other areas.

围绕国际学术界在离子液体/分子溶剂二元体系中与局部微结构相关的分子内阴阳离子及离子液体与分子溶剂间相互作用的前沿研究领域，在利用我们已有的多尺度、多时间分辨激光光谱技术的基础上，发展新的飞秒光谱实验技术，选择几种特定类型的离子液体/分子溶剂体系，在离子、分子和纳微等多尺度、多层次上揭示离子液体/分子溶剂相互作用的本质与调控规律，探究离子液体可能存在的构型，揭示不同尺度之间的关联机制及不同条件下的多尺度微结构变化机理和规律，分析离子液体与不同溶剂分子之间的相互作用差异以及烷烃链长度等分子构型对离子液体与有机分子相互作用的影响，在不同时间尺度上揭示离子液体/分子溶剂混合体系的溶剂化动力学规律。通过本项目的研究，在"离子液体/分子溶剂多元体系微结构及相互作用的探测"这个前沿性科学问题研究上取得突破性进展和具有重要影响力的创新性研究结果，为未来信息、材料、环境、能源等技术提供科学基础。

课题在利用我们已有的多尺度、多时间分辨激光光谱技术的基础上，进一步发展了多种新的飞秒光谱探测方法，主要有：飞秒时间分辨pump(泵浦)－dump/push(亏蚀/再激发)-probe(探测)、飞秒时间分辨相干反斯托克斯拉曼光谱（CARS）及飞秒受激拉曼光谱等方法，对纯离子液体、离子液体与有机分子混合溶剂的微观结构和微观性质，以及复杂分子在不同溶剂体系中的动力学过程进行了研究，主要成果有：（1）以荧光各向异性光谱、瞬态吸收光谱为主要实验手段，辅以核磁共振、紫外可见光吸收光谱、分子模拟（MD）等实验方法，对激光诱导电场作用下离子液体[Cnmim][PF6]（n=4,6,8）内部异质性微结构转变进行了研究。揭示了外加电场等外部作用力对离子液体的微粘度、微不均匀性等一系列新的物理化学性质的影响。 (2) 利用荧光探针分子的转动动力学和荧光光谱，并结合分子动力学模拟计算，探究了离子液体与有机分子溶剂之间的分子间相互作用机制。（3）结合光谱分析和理论计算，对离子液体[bmim][PF6]与醚键官能化的离子液体[moemim][PF6]结构微不均匀性以及微粘度的光谱特性进行了对比分析。 (4) 利用光谱及量化计算的方法，比较性的研究了具有电子推拉特性的染料分子的电荷转移特性和激发态溶剂化动力学。揭示了不同溶剂对分子结构及激发态电荷转移过程的影响，建立了染料分子发光效率受溶剂化调控的动力学模型。（5）基于我们新发展的飞秒时间分辨pump-dump/push-probe光谱技术，研究了二乙氨基羟基黄酮(DEAHF)体系四能级质子转移的光循环过程，直接观测到了基态反向质子转移的快回复过程，建立了不同极性溶剂调控的质子转移过程动力学模型。（6）通过对多种超支化分子内的溶剂化相关的飞秒超快过程的研究，特别是有机/无机杂化体系中的电荷转移和溶剂化过程，提出了激发态去局域和局域化的荧光各向异性的表征方法，观察到不同极性溶剂环境中的超支化分子和纳米金团簇的激发态溶剂化相关的电荷转移动力学等重要的现象，建立了相关的溶剂化诱导的激发态能级弛豫的模型。