高耐热生物碱衍生自燃离子液体的合成及性能研究

With the improving environmental protection standards in the development of aerospace industry in China, hypergolic ionic liquids, as an emerging green liquid propellant fuel, show their great potential to be substitutes for highly toxic and volatile hydrazine and its derivatives. However, the most known hypergolic ionic liquids suffer from low thermal stability, which leads to the invalid of spacecraft engine at high temperature environment. Inspired by high thermal stability of some fused-ring compounds, natural and renewable fused-ring alkaloids will be used in this project to prepare hypergolic ionic liquids with improved thermal stability. The thermal stability of target products will be evaluated in terms of short-term stability and long-term stability. And pyrolysis mechanism of fused-ring ionic liquids will be concluded. Their physical and chemical properties, energy and ignition behavior will be studied. As a result, some excellent hypergolic ionic liquid fuels with high thermal stability can be obtained.

面对我国航空航天事业发展进程中不断提高的环保要求，自燃离子液体有望作为新兴绿色液体推进剂燃料替代高毒性、高挥发性的肼类化合物。然而，当前已开发出的自燃离子液体热稳定性普遍不佳，难以满足航天器发动机在极端高温环境下正常工作的需要。鉴于稠环结构具有提高化合物热稳定性的潜力，本项目拟利用天然、可再生、绿色的稠环生物碱为原料制备高耐热自燃离子液体。在合成得到目标产物的基础上，从短期热稳定性和长期热稳定性两方面评价离子液体的耐热性，揭示稠环离子液体的热分解机理。并深入考察离子液体相关物化性质、能量参数及点火性能，筛选出高耐热且综合性能优异的自燃离子液体推进剂燃料。

针对现有自燃离子液体热稳定性低，并结合鉴于稠环结构具有优异热稳定性的优势。本项目利用化学合成手段对天然生物茶碱进行季铵化修饰，并与二氰胺根阴离子组合，制备出10余种生物碱稠环离子液体。制备的离子液体均具有优异的热稳定性，分解温度最高达到280℃，并有5种离子液体（盐）与100%硝酸接触表现出良好的自发点火行为。同时，上述自然离子液体密度均大于1.30 g·cm-3，密度比冲范围在333.2到348.0 s·g·cm-3之间，优于肼类推进剂。特别的，9-丁烯基-1,3,5-三甲基黄嘌呤二氰胺离子液体表现出优异的综合性能，包括短的点火延迟时间（49 ms），宽的液程范围（70 -215℃）以及较高密度比冲（342.2 s·g·cm-3），有望作为新型绿色燃料取代具有毒性和挥发性的肼类推进剂。该方法具有原料可再生、绿色、价格低廉、合成步骤简单等优势。此外，该基金还支持其他含能材料研究，截止到目前，共发表论文10余篇，包括Journal of Ameican Chemical Society, Chem, Nature Communcations等国际著名顶级期刊，并申请了两项国家发明专利，《茶碱衍生自燃离子盐及制备方法》，202211560076.0；《基于二氰胺阴离子的生物碱衍生离子液体及其制备方法》，202211576262.3。