电化学方面的应用

离子液体是电化学领域应用广泛,可应用于电解、电镀、电池、光电池等领域。

电镀

Fuller等人在1-乙基-3-甲基咪唑四氟化硼([emim]BF4)中研究了二茂铁、四硫富瓦烯的电氧化过程,实验结果证实,二茂铁和四硫富瓦烯在[ emim]BF4 中可形成可逆程度很高的氧化还原对,是一种可适用于电化学合成的溶剂。
在离子液体中,金属在电极的沉积要所需的电位比在水溶液中低,科学家首先是用铝的电镀做实验,然后是银的电沉积,大量银沉积过程的电流效率几乎都为100%。控制电压、电流密度、离子浓度等,可在非常宽范围内获得确定组成的金属或合金。

电池

随着地球上的化石能源储量减少和对环保的不断重视,人们越来越青睐锂离子电池这一绿色能源,目前锂离子电池所使用的有机电解质溶液存在易燃、易爆等安全隐患,而蒸气压低、无可燃性、导电性高的离子液体可以减轻自放电,而且有望在彻底解决锂离子电池的安全性问题。实验表明,离子液体1, 2-二甲基-4-氟吡唑四氟化硼(DMFPBF4) 的热稳定温度在300℃以上,可在很宽的温度范围内和锂稳定共存,而且DMFPBF4/LiBF4的电化学窗口大于4V,以它为电解液的LiMn2O4/Li电池显示了较高的充放电循环效率( >96%)。不挥发、高电导率的离子液体替代有机电解质溶液用于染料敏化电池中,也提高了电池寿命和稳定性。离子液体也同样能应用于太阳能电池和电容器方面。

由于离子液体具有导电性、难挥发、不燃烧、电化学稳定电位窗口比其它电解质水溶液大很多等特点。故将离子液体应用于电化学研究时可以减轻放电,作为电池电解质使用温度远远低于融熔盐。现在离子液体已经作为电解液用于制造新型高性能电池、太阳能电池以及电容器等。比如,美国航空化学研究中心的Wilkes发明的BIME电池中使用的离子液体就是[EMIM]BF4;瑞士的Bonhöte研究了一系列利用离子液体作为电解质的太阳能电池;McEewen等人将离子液体应用于电容器,这些研究都获得了成功。

固体电解质因不流动而比液体电解质使用方便。而高分子电解质使用则更加方便,因其具有高分子优越的机械性质,易于加工成各种形状。传统的高分子电解质有两类:一类是无机盐电解质分散在高分子中,有的要加添加剂,以高分子为固态溶液,如聚醚高分子电解质;另一类离子交换树脂则需含浸适当溶液。为得到高离子导电聚合物,在高分子中引入离子液体的研究,目前有3种方法:

(1)美国M1Doyle等人(Dupont研发中心)用全氟化聚合物膜与离子液体形成复合体的高温质子导电膜。

(2)日本学者A1Noda等在离子液体中将适当的单体聚合,使离子液体与聚合物生成离子胶。

( 3)日本东京农业大学的学者在单体或齐聚物中引入离子液体的结构(通常为阳离子) ,得到离子导电性高分子,还可以在其中再渗一些无机盐以提高导电率。这些高离子导电聚合物可在聚合物锂离子电池、太阳能电池、燃料电池、双电层电容器等方面得到应用。

太阳能电池

20世纪90年代,Osteryoung等就在离子液体中的研究中展现了离子液体宽电化学电位窗、良好的离子导电性等电化学特性,这些特性使得离子液体在电池、电容器、晶体管、电沉积等方面具有广泛的应用前景。作为电解液的,离子液体的缺点是黏度太高,但只要混入少量有机溶剂就可以大大降低其黏度,并提高其离子电导率,再加上其高沸点、低蒸气压、宽阔的电化学稳定电位窗等优点,使其非常适合用于光电化学太阳能电池的电解液。瑞士联邦技术研究所的Bonh研究用离子液体做太阳能电池的电解质,因其蒸气压极低,黏度低,导电性高,有大的电化学窗口,在水和氧存在下有热稳定性和化学稳定性,耐强酸,研究了一系列正离子与憎水的负离子形成的离子液体,熔点在-30℃~常温之间,特别适用于应排除水气且长期操作的电化学系统。离子液体[emim] (CF3SO2)2N的电化学窗口>4V,在空气中400℃下仍然稳定,适用于要求高导电性,低蒸气压的光伏电池。

光电池

中国科学院有机固体重点实验室研究做过离子液体在电致发光电化学电池(LEC)中的实验。他们通过改变阳离子上的烷基链长度调节离子液体的熔点,合成出熔点分别为60、70和80℃的离子液体,用这些离子液体为离子载体制备出室温准冷冻p- i- n结电致发光器件,可以提高了器件的发光响应速度。

电化学活化CO2

在CO2羰基合成实验中,过去,在过渡金属催化剂作用下CO2 才能与环氧化物发生反应,但这种方法的缺点是:催化剂的溶解性差、对空气不稳定、难以循环使用以及有机溶剂污染等。邓友全等成功地实现了在离子液体中电化学活化CO2,于室温、常压、无催化剂条件下与环氧化合物反应,合成出环状碳酸酯。

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