基于离子液体新型二元溶剂体系的溶液性质研究

It is an inevitable trend to utilize the mixed systems composed of ionic liquids and the low viscosity solvents because the large viscosity of pure ionic liquid result in the low rate of flow and thus make it difficult to operate in industry. However, the lack of solution properties of such mixed solvent systems severely restricts their development. So, the physical-chemical and thermodynamic properties of ionic liquids involving solvent systems is undoubtedly a key point. On the base of our research experience in solution chemistry in the past decade, this project will focus on the new binary solvent systems containing ionic liquids and the low viscosity solvents such as water, alcohols, and amides. The database of the basic physical chemical properties, such as solubility, density, viscosity, conductivity, and refractive index be established. The experimental data will be correlated by the related thermodynamic models to calculate the volumetric properties, transport properties, osmotic coefficients, activity coefficients, and excess Gibbs energy. The theoretical prediction of physical chemical properties of such ionic liquids containing binary solvent systems will be developed based on the research results. The development of this project will not only enrich and promote the solution chemistry of ionic liquids based new solvent systems, but also progress the thermodynamics and the related field. This will be helpful and important for the application of the mixed binary solvent systems involving ionic liquids.

纯离子液体由于粘度大不利于流动传输而导致工业操作困难，故离子液体与低粘度溶剂的混合体系是离子液体走向应用的必然趋势，但此类体系溶液性质研究的匮乏又是制约其应用发展的瓶颈，因此，含离子液体混合溶剂体系相化学和热力学性质的探讨对于实现离子液体的实质性应用是十分关键的；本项目拟在我们课题组多年研究溶液化学的基础上，系统探讨离子液体与水、醇和酰胺等三类低粘度溶剂组成的新型二元溶剂体系的溶液性质；构建体系的多温溶解度、密度、粘度、电导率和折光率等基本理化性质数据库，并与相关热力学模型关联获得体系的体积性质、传输性质、渗透系数、活度系数、过量吉布斯自由能等，以进一步实现含离子液体二元溶剂体系性质的理论预测，为探究二元溶剂组分之间的弱相互作用规律提供翔实的依据;本项目的开展，不仅能够丰富和发展离子液体溶剂体系的基础溶液化学，促进化学热力学和相关学科的发展，并且将对离子液体的开发应用起到重要的指导作用。

离子液体因其独特的物理和化学性质而在工业和学术领域引起了越来越多的关注。但是大部分常用离子液体的极大的粘度，使得其工业化应用的进度大大受到阻碍。因此，本项目将离子液体与常用分子溶剂混合以调节离子液体的性质。通过测定系列二元溶剂体系的粘度、密度和折光率等性质，在此基础上获得体系的体积性质和过量性质等数据，进而分析探讨各类体系中离子液体与分子溶剂间的相互作用。此外，为拓展此类二元体系的应用，利用离子液体的结构效应，进行了贵金属纳米粒子的合成。本项目围绕离子液体二元体系的性质测定和应用，取得了以下进展：(1) 选择咪唑离子液体[Cnmim]Cl/Br (Cnmim = 1-烷基-3-甲基咪唑; n = 2, 4, 6, 8)，与分子溶剂水、醇类(正丙醇、乙二醇、1,2-丙二醇)、酰胺类(N-甲基甲酰胺、N,N-二甲基甲酰胺、N,N-二甲基乙酰胺)、脲类(N-甲基吡咯烷酮、1, 3-二甲基-2-咪唑烷酮、1, 3-二甲基-3, 4, 5, 6-四氢-2-嘧啶酮)组成二元溶剂体系，测定了体系在常压下和温度范围T =(288.15-333.15)K的密度、折光率和粘度，获得了二元混合体系的过量摩尔体积和表观摩尔体积，折光偏差和过量吉布斯自由能。结果显示，分子溶剂的加入会使体系的粘度急速降低。温度越高，粘度越低。即此类二元体系能很好地改善离子液体的传输性能。(2) 采用1-丙基磺酸-3-甲基咪唑氯盐、1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-羟乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑氯盐为稳定剂以及还原剂等作用，在离子液体-水以及离子液体-二甘醇体系中，通过预沉淀以及还原法，获得了超细的石墨烯负载Pd、立方形状Pt、炭黑负载Pt以及空心Pt纳米管等不同形貌和不同负载体的贵金属纳米粒子。此类离子液体辅助作用下制备的纳米粒子，具有分散均匀和粒径小的特点，充分提高了纳米催化剂的利用率和稳定性。而且，此类催化剂在电化学催化甲酸氧化反应、氨氧化反应和氧还原反应中表现出良好的催化性能，为燃料电池催化剂的发展提供了一种新的思路。