本發明屬于離子液體膜材料,具體涉及一種固體表面超薄離子液體膜結構的制備方法。
背景技術:
1、離子液體因其低揮發、良好的熱穩定性和結構可設計性等優良特性為綠色化學發展提供了新機遇,固載型離子液體通過將離子液體物理或化學吸附于固體表面,有效解決了離子液體用量大、成本高、催化劑與產物不易分離等難題,在催化反應、功能材料和電化學等應用領域具有廣闊的應用前景。近年來,已發展出一系列固載型離子液體制備技術,涵蓋物理和化學吸附方法,物理吸附法簡單快速、樣品使用量少,但離子液體結構不穩定,化學吸附法離子液體結構穩定,不易被破壞,但步驟復雜。因此,急需開發具有普適性的固體表面離子液體穩定負載技術。
2、目前,實驗室采用的自組裝技術具有操作簡單,調控方便,負載離子液體結構穩定有序等優勢,有望為負載型離子液體的制備提供新思路。自組裝是指基本結構基元在非共價鍵的相互作用下自發地形成有序結構的一種技術,這些非共價鍵作用通常包括氫鍵、范德華力、π-π相互作用、親疏水作用等。離子液體中天然存在多種協同作用:靜電、氫鍵、親疏水作用、π-π堆積等,這些為固體表面離子液體自組裝提供了足夠的驅動力。但是,實際研究過程中發現,離子液體與固體表面,尤其是不帶電的中性固體表面的相互作用較弱,導致自組裝形成的結構存在不連續、不均一、易團聚等問題。究其原因,自組裝過程是離子液體自身陰陽離子間靜電作用和離子液體-固體表面間作用競爭協調的結果,中性固體表面與離子液體的弱相互作用不足以平衡陰陽離子間的靜電作用,進而導致離子液體團聚等問題。同時,自組裝液滴蒸發過程中存在氣-液-固三相線黏滑運動,加劇了離子液體的不均勻析出。
3、基于此,改進自組裝技術,實現固體表面離子液體薄膜結構的均勻制備可以為固載型離子液體功能材料的開發和設計提供重要支撐。
技術實現思路
1、本發明的目的在于克服現有技術的不足,提供固體表面超薄離子液體膜結構的制備方法。該預潤濕方法一方面可以實現固體表面離子液體的均勻鋪展,形成連續、均一、納米厚度的膜結構,既解決了短烷基鏈離子液體在固體表面的團聚問題,又可以實現長烷基鏈離子液體在固體表面有序組裝。另一方面通過引入時間效應,借助結構弛豫,顯著提升了固體表面離子液體膜結構的穩定性。
2、本發明提供的固體表面超薄離子液體膜結構的制備方法,具體技術方案如下:
3、(1)選取能溶解離子液體的溶劑并配置一定濃度的離子液體溶液。
4、(2)量取適宜體積的離子液體溶液滴至干凈的固體表面。
5、(3)待溶劑揮發結束后迅速滴加第二滴溶液。
6、(4)隨后將樣品在大氣環境下靜置2天,結構充分弛豫。
7、優選地,所選離子液體既包含典型短烷基鏈的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽[emim][bf4]和1-乙基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鹽[emim][ntf2]離子液體,也包含典型長烷基鏈1-烷基-3-甲基咪唑雙(三氟甲基磺酰基)亞胺鹽[cnmim][ntf2](n=12-18)和1-十八烷基-3-甲基咪唑溴鹽[c18mim][br]離子液體
8、優選地,所選溶劑涵蓋不同極性,包括二甲基亞砜,甲醇,四氫呋喃,乙醇,二氯甲烷。
9、優選地,離子液體溶液濃度是1×10-3mol/l~1×10-4mol/l。
10、優選地,固體基底是高定向熱解石墨hopg和單晶2h-mos2。
11、優選地,短烷基鏈離子液體樣品靜置時間大于長烷基鏈離子液體樣品。
12、與現有技術相比,本發明具有如下增益效果:
13、本發明提供了一種固體表面超薄離子液體膜結構的制備方法,膜厚度僅為1-10nm。預潤濕技術不僅制備方法簡單快速、樣品使用量少,且制備的離子液體膜結構較穩定。同時,預潤濕技術針對不同類型的固體材料有較好的適用性,帶負電的mos2和不帶電的中性材料hopg表面均可形成均勻分布的離子液體膜。進一步的,長烷基鏈離子液體可以形成單層有序的條紋狀結構且通過溶劑極性可調控結構的有序度,體積較小的短烷基鏈離子液體通過結構弛豫可以進一步提升膜的穩定性。該方法解決了目前實驗室研究中離子液體自組裝結構的不連續、不均一、易團聚等問題,為固載型離子液體制備技術的發展和固載型離子液體功能材料的開發設計提供重要支撐。
1.一種固體表面超薄離子液體膜結構的制備方法,其特征在于,通過預潤濕過程可以實現高定向熱解石墨hopg和單晶2h-mos2固體表面咪唑類[emim][bf4]、[emim][ntf2]、[cnmim][ntf2](n=12-18)和[c18mim][br]離子液體的均勻鋪展,形成連續、均一、納米厚度的膜結構。
2.根據權利要求1所述的預潤濕制備方法,其特征在于,選取和固體表面有良好潤濕性且能溶解離子液體的溶劑配置離子液體溶液。
3.根據權利要求2所述的溶液配置方法,其特征在于,離子液體溶液濃度范圍是1×10-3mol/l~1×10-4mol/l,且溶液需超聲,混合均勻。
4.根據權利要求1中所述的預潤濕過程,其特征在于,連續兩次滴加離子液體溶液至固體表面,第一滴溶液形成的團簇結構可實現氣-液-固三相線釘扎,使液滴以恒定接觸線的模式蒸發,離子液體均勻析出。
5.根據權利要求4所述的預潤濕制備方法,其特征在于,液滴體積需根據固體材料的表面積和溶液中離子液體濃度計算所得。
6.根據權利要求4或5所述的預潤濕制備方法,其特征在于,第2滴溶液可以在固體表面形成穩定的橢球型液滴形狀。
7.根據權利要求1或4所述的預潤濕制備方法,其特征在于,第2滴溶液溶劑揮發結束后,樣品需在大氣環境中靜置2天以上實現結構弛豫,提升離子液體膜的穩定性。
8.根據權利要求7所述的結構弛豫方法,其特征在于,固體表面離子液體膜厚度隨靜置時間延長逐漸減小,最后趨于穩定。
9.根據權利要求7或8所述的結構弛豫方法,其特征在于,完全弛豫后,固體表面離子液體膜厚度低于10nm。