專利名稱：一步電化學合成離子液體/碳點凝膠的方法
技術領域：
本發明屬于化學及材料科學領域，涉及一類電化學合成離子液體/碳點凝膠的方法。
背景技術：
室溫離子液體(即低溫熔融鹽)在室溫下為液態，完全由離子構成，具有較高的離子電導率，極低的揮發性，較高的熱穩定性(約達400 °C)，較寬的電化學窗口(4 V左右)等優點。通過改變離子液體陽離子或陰離子的結構，還可在較大范圍內改變離子液體的性質。因此，把離子液體作為電容器和電池等的電解質能有效解決液態電池的安全問題，具有十分誘人的應用前景。目前，其應用形式主要為直接用作電解質；或用聚合物、小分子凝膠劑及無機納米粒子固化離子液體形成凝膠電解質，這類凝膠電解質不含任何可揮發成分，穩定性好，電導率高。特別是用無機納米粒子固化離子液體所形成的凝膠電解質具有十分誘人的前景，原因在于，其一納米粒子具有高的比表面積、有序的孔道結構，因此可作為離子液體的固化劑；其二納米粒子的結構可為電解質中的離子擴散提供通道，能明顯改善其離子電導率。目前，制備離子液體/納米粒子凝膠所用的方法多為直接混合、超聲或在碾缽中直接碾磨。然而，納米粒子粒徑小、比表面大、極易團聚，表面極性大，與一般溶劑相容性差，采用一般共混技術難以獲得納米尺度上的均勻分散；而混合得不均勻會使得現有的界面改性技術難以完全消除填料與離子液體基體間的界面張力，難以實現理想的界面粘接，達不到粒子納米填充固化的目的。而且不同批次制備的離子液體/納米粒子凝膠性質差別很大，難以實現批量生產。因此，制備出具有良好分布的離子液體/納米離子凝膠是研究和應用的先決條件。自從Iijima發現碳納米管以來，納米科技獲得了飛速發展。以碳為基礎的納米材料，包括碳納米管、納米金剛石、富勒烯、納米碳纖維和碳量子點等。碳點作為一種新的碳納米材料，也引起了人們的極大關注。碳納米粒子作為一種新的量子點，與傳統量子點相比具有明顯的優越性其水溶性好；毒性小。與碳納米管、納米金剛石和傳統量子點的研究相，碳點由于其制備方法和分離技術匱乏，迄今尚無較充分的研究，相關報道也較少。目前針對碳點合成的專利文獻有《一種低毒性熒光碳點的制備方法》(中國專利申請號200810197695. I )，該專利是將碳電極在電解質溶液為pH值在2_11之間的含氧酸鹽水溶液中進行電化氧化處理，制得了低毒性的熒光碳點。用本發明制備的離子液體/碳點凝膠，由于離子液體和碳點均具有良好的導電性，可制備具有高導電性能的材料；又由于離子液體/碳點凝膠沒有揮發性，能很好地傳遞電子，可用作太陽能電池電解液和構建化學和生物傳感器。
發明內容
本發明的目的是針對上述現狀，旨在提供一種原料成本低廉易得、操作簡單易行，制得的凝膠較均勻、重現性好的，制備過程無污染，可進行大規模工業化生產的一步電化學合成離子液體/碳點凝膠的方法。本發明目的的實現方式為，一步電化學合成離子液體/碳點凝膠的方法，具體步驟如下(I)將兩支長6_7cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于2mL室溫離子液體/水混合體系中，分別用作陽極和陰極，在兩支電極之間施加4-10V恒電位，電解O. 3-10h ；所用離子液體為I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸，I- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸，I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸，I-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸，I-已基-3-甲基咪唑四氟硼酸或I-已基-3-甲基咪唑六氟磷酸；所用室溫離子液體/水混合溶液的室溫離子液體水的體積比為9:1、8:2、7:3、 6:4、5:5 或 4:6 ；(3)收集電解后的電解質溶液；用O. 5—2mL無水乙醇清洗5_6次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中烘干2h，即得離子液體/碳點凝膠。本發明以室溫離子液體/水混合溶液直接作為電解質，以高純碳棒作為碳點源，電解質溶液中于較正電位處對陽極碳棒進行氧化，制備出離子液體/碳點凝膠制得的凝膠較均勻、重現性好的。本發明簡單易行，快速；材料來源廣泛廉價，制備過程無污染；在一般化學實驗室即可完成，并可進行大規模工業化生產。
圖I是實例I以I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸為電解質合成的I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸/碳點的TEM表征圖，圖2是實例2以I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸為電解質合成的I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸/碳點的TEM表征圖，圖3是實例I以I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸為電解質合成的I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸/碳點的照片，圖4是實例2以I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸為電解質合成的I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸/碳點的照片。
具體實施例方式本發明以室溫離子液體作為電解質，以高純碳棒作為碳點來源。將清洗好的高純碳棒置于室溫離子液體中于較正電位處用恒電位電解法對碳棒進行氧化，將電解液清洗，干燥后制得離子液體/碳點凝膠。所用的離子液體為I-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸，I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸，I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸，I-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸，I-已基-3-甲基咪唑四氟硼酸或I-已基-3-甲基咪唑六氟磷酸。所用的室溫離子液體/水混合溶液的室溫離子液體水的體積比為9:1、8:2、7:3、6:4、5:5或4:6。電氧化合成所需條件為所用恒電位在4-10V之間，電解時間在O. 3-10h之間。
下面結合實施例詳述本發明。實施例I(I)將兩支長6cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_ 丁基_3_甲基咪唑六氟磷酸/水(V: V=5:5)的電解小池中，兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位4V,電解3h ；(3 )收集電解后的電解質溶液；用O. 5mL無水乙醇清洗5次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得圖I所示的離子液體/碳點凝膠。
從圖I可見，所制得的碳點較均勻地分布在I- 丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸中，形成碳點/離子液體凝膠。圖3表明所形成的凝膠具有一定的黏附力、黏著性。實施例2(I)將兩支長6. 5cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_ 丁基_3_甲基咪唑四氟硼酸/水(V: V=6:4)的電解小池中，兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位6V,電解2h ；(3 )收集電解后的電解質溶液；用ImL無水乙醇清洗6次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得圖2所示的離子液體/碳點凝膠。從圖2可見，所制得的碳點較均勻地分布在I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸中，形成碳點/離子液體凝膠。圖4表明所形成的凝膠具有一定的黏附力、黏著性。實施例3(I)將兩支長6. 7cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_乙基_3_甲基咪唑四氟硼酸/水(V:V=9:1)的電解小池中，兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位8V，電解Ih ；(3)收集電解后的電解質溶液；用I mL無水乙醇清洗6次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得離子液體/碳點凝膠。實施例4(I)將兩支長6. 6cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_乙基_3_甲基咪唑六氟磷酸/水(V:V=9:1)的電解小池中，兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位10V,電解 5h ； (3)收集電解后的電解質溶液；用2mL無水乙醇清洗6次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得離子液體/碳點凝膠。實施例5(I)將兩支長7cm的高純碳棒進行超聲清洗；
(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_已基_3_甲基咪唑四氟硼酸/水(V: V=8:2)的電解小池中，兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位9V，電解Ih ；(3 )收集電解后的電解質溶液；用ImL無水乙醇清洗6次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得離子液體/碳點凝膠。實施例6(I)將兩支長6. 9cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_已基_3_甲基咪唑六氟磷酸/水 (V:V=7:3)的電解小池中，兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位7V，電解2h ；(3)收集電解后的電解質溶液；用ImL無水乙醇清洗5次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得離子液體/碳點凝膠。實施例7(I)將兩支長7cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_已基_3_甲基咪唑六氟磷酸/水(V: V=4:6)的電解小池中,兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位5V,電解O. 3h ；(3)收集電解后的電解質溶液；用2 mL無水乙醇清洗6次；(4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得離子液體/碳點凝膠。實施例8(I)將兩支長6. 8cm的高純碳棒進行超聲清洗；(2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于盛有2mLl_乙基_3_甲基咪唑六氟磷酸/水(V:V=8:2)的電解小池中，兩支碳棒分別用作陽極和陰極。在兩支電極之間施加恒電位4V，電解IOh ； (3)收集電解后的電解質溶液；用ImL無水乙醇清洗5次； (4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中2h，烘干制得離子液體/碳點凝膠。
權利要求
1. 一步電化學合成離子液體/碳點凝膠的方法，其特征在于具體步驟如下 (1)將兩支長6-7cm的高純碳棒進行超聲清洗； (2)將清洗好的兩支碳棒平行放置于2mL室溫離子液體/水混合體系中，分別用作陽極和陰極，在兩支電極之間施加4-10V恒電位，電解O. 3-10h ； 所用離子液體為I- 丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸，I-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸，I-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸，I-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸，I-已基-3-甲基咪唑四氟硼酸或I-已基-3-甲基咪唑六氟磷酸； 所用室溫離子液體/水混合溶液的室溫離子液體水的體積比為9:1、8:2、7:3、6:4、·5:5 或 4:6 ; (3)收集電解后的電解質溶液；用O.5—2mL無水乙醇清洗5_6次； (4)將清洗后的電解質溶液放在80°C的烘箱中烘干2h，即得離子液體/碳點凝膠。
全文摘要
本發明提供了一步電化學合成離子液體/碳點凝膠的方法，是以室溫離子液體作為電解質，以高純碳棒作為碳點來源。將清洗好的高純碳棒置于室溫離子液體與水的混合溶液中，于較正電位處用恒電位電解法對碳棒進行氧化，清洗，干燥后得離子液體/碳點凝膠。本發明以室溫離子液體/水直接作為電解質，高純碳棒作為碳點源，電解質溶液中于較正電位處對陽極碳棒進行氧化，制備出的離子液體/碳點凝膠較均勻、重現性好。本發明簡單易行，快速，材料來源廣泛廉價，制備過程無污染；在一般化學實驗室即可完成，并可進行大規模工業化生產。用本發明制備的離子液體/碳點凝膠，可制備具有高導電性能的材料；可用作太陽能電池電解液和構建化學和生物傳感器。
文檔編號C25B1/00GK102899677SQ20121040883
公開日2013年1月30日 申請日期2012年10月24日 優先權日2012年10月24日
發明者熊華玉, 王世敏, 張修華, 董兵海, 萬麗, 趙麗 申請人:湖北大學, 王世敏