离子液体是一类具有独特物理化学性质的材料,在研究领域引起了广泛的关注。由于离子液体几乎不挥发且不可燃,早期研究主要集中在开发离子液体作为绿色溶剂的应用上。然而,离子液体的多样性及可调的特性极大地扩展了其应用领域。也就是说,可以根据阴阳离子的结构来定制具有特殊物理化学性质的离子液体,从而有目的性地设计出针对特定应用的离子液体,这也是离子液体在科学研究领域广受欢迎的主要原因之一。由于离子液体组成及结构的灵活性,近年来,基于特定功能化离子液体先进材料的制备已经成为一大研究热点。一方面,可以利用改性及功能化后的离子液体参与构筑的有序分子聚集体进行超分子凝胶等功能性软材料的制备。另一方面,可以进一步利用有序分子聚集体的结构及尺寸效应构筑微观有序的离子传导材料,从而极大地拓展了其应用范围。作为离子液体的重要衍生物,聚离子液体既具有离子液体几乎所有的特性,兼具聚合物的实用性,在聚合物、离子液体及材料科学等多个研究方向引起了广泛地关注。聚离子液体的离子导电性、电化学稳定性及热稳定性等特性进一步促进了其在电化学领域的研究与应用。本论文以离子液体的可设计性与功能化为基础,设计合成了一系列具有特定功能的离子液体及聚离子液体,研究了其参与构筑的凝胶及聚合膜体系在光致变色、刺激响应及离子传导等方面的应用。研究工作分为以下五个部分:1.基于聚两性离子液体构筑的高强度离子凝胶。我们设计合成了一种可聚合的两性离子3-(1-乙烯基-3-咪唑)丙磺酸盐(ZIW),将其溶于离子液体中,通过原位光聚合的方法制备了一种双组分高强度离子凝胶。由于两性离子结构的特殊性,聚合物骨架上两性离子基团之间具有偶极-偶极相互作用,并且两性基团与体相离子液体间也存在离子-偶极相互作用,这使得双组分离子凝胶在未加任何交联剂的情况下即表现出了优异的机械强度,其强度可以与化学交联的凝胶体系相媲美。此外,该离子凝胶还表现出良好的自愈合能力、电化学稳定性和机械柔韧性,在柔性器件中具有一定的应用潜力。2.两性离子与多金属氧酸盐(POMs)共组装构筑的光致变色超分子水凝胶。合成出具有两亲性的两性离子3-(1-十六烷基-3-咪哇)丙磺酸盐(C16IPS),将其与多金属氧酸盐七钼酸铵(Mo7)共组装,制备了一种均匀、光学透明的超分子水凝胶。两性离子结构含有共价连接的阳离子和阴离子,其与POM阴离子团簇间存在静电引力和静电斥力的微妙平衡,并阻止了沉淀的产生,形成了光学透明的水凝胶。我们对凝胶的成胶行为、形貌、流变学特征和光致变色性能进行了详细的研究。通过调节C16IPS/Mo7摩尔比,分别获得了由高度有序的球状胶束或平行排列的蠕虫状胶束构成的超分子水凝胶。通过改变C16IPS浓度和C16IPS/Mo7摩尔比,可以实现水凝胶机械强度和光致变色能力的调节。特别是与纯的Mo7水溶液相比,含有相同Mo7浓度的超分子水凝胶具有明显增强的光致变色能力。这些超分子水凝胶在信息的可重复记录与存储方面具有巨大的应用潜力。3.基于双交联聚离子液体构筑的热/氧化还原响应水凝胶。我们设计合成了一种带有羧基的可聚合离子液体1-乙烯基-3-羧乙基咪唑氯盐(VmimCM),将其与温敏型聚合物单体N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)共聚得到了水凝胶化学交联的初级骨架。再利用铁离子和羧基之间的离子配位作用进一步进行物理交联,制备了一种双交联水凝胶。在温敏性PNIPAM基质中引入双交联的聚离子液体网络结构可以显著提高水凝胶的机械强度和离子导电性。基于PNIPAM优异的热敏性和聚离子液体的导电性能,水凝胶可以作为一种热响应开关来控制电路的断开与闭合,并具有良好的循环稳定性。此外,凝胶基质中的铁离子具有不同的氧化态,水凝胶还表现出良好的氧化还原响应性。4.碱性双网络水凝胶在全固态锌-空气电池中的应用。基于化学交联的聚电解质网络(聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙磺酸),PAMPS)和穿插其中的甲基纤维素(MC)构筑了一种双网络水凝胶。随后将高浓度的碱溶液(KOH)引入到PAMPS/MC水凝胶中,以提高凝胶的离子电导率(室温下可达105 mS.cm-1)。另外,PAMPS-K/MC水凝胶的结冰点可以降至-30℃左右。即使在-20℃环境下,水凝胶仍能保持可接受的离子电导率和力学性能,表现出优秀的抗冻性能。以PAMPS-K/MC碱性水凝胶为电解质膜组装的柔性锌-空气电池展现出良好的电化学性能、机械柔弹性,甚至在-20℃的低温下仍表现出可观的比容量和能量密度。5.具有液晶微观有序结构阴离子传导膜的构筑。我们选用了一系列可聚合两亲离子液体在水中自组装,对其组装形成的丰富液晶相采用原位光聚合的方法制备了具有不同微观结构的阴离子传导膜,并对其综合性能进行了详细的探究:(1)层状双氢氧化物(LDHs)参与构筑的微观有序复合阴离子传导膜。利用可聚合两亲离子液体在水中自组装形成的六角液晶相作为微反应器,采用原位共沉淀的方法在液晶的亲水区合成出LDHs。最后通过紫外光聚合构筑了一种保留有液晶微观有序结构的LDHs复合阴离子传导膜。通过对在液晶微反应器中生长出的LDHs进行SEM、TEM观察发现,六角液晶在LDHs的生长过程中起到了模板作用。另外,对LDH复合膜的IEC、溶胀度、载水率、OH-电导率、碱稳定性以及机械性能进行了表征,并与不含LDHs的阴离子传导膜进行比较后发现,LDHs复合膜具有更高的离子电导率、碱稳定性和力学性能。基于该复合膜组装的锌-空气电池具有更优异的电化学性能。(2)具有反相Ia3d双连续立方结构的阴离子传导膜。我们设计合成了可聚合的表面活性离子液体N-甲基-N-十四烷基-N,N-二烯丙基溴化铵,借助其自组装形成的液晶相,首次制备了具有反相Ia3d双连续立方结构的阴离子交换膜(AEM-Ia3d)。与具有六角和层状液晶微观结构的传导膜相比,AEM-Ia3dd展示出显著提高的OH-电导率,优异的水管理能力以及机械性能。此外,AEM-Ia3d膜具有一定的离子选择性传输能力,在保证OH-沿三维连续最小曲面以跳跃机制快速传导的同时,抑制了水合离子和醇类分子(如Zn(OH)42-和甲醇)的透过。除尺寸效应外,分子动力学模拟表明三维互联离子通道的曲率也有助于提高跳跃离子和扩散离子的选择性。