室温离子液体电导率的研究

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室温离子液体(Room Temperature Ionic Liquid, RTIL)是完全由阴、阳离子组成,且熔点不高于室温的新型液体,具有不挥发,不可燃,熔点低,工作温度范围宽,电导率高等优点,是解决目前能源危机、温室效应等全球型问题的关键材料[Nature Materials, 2009, 8,621]。近年来,RTIL在能源设备、光电子、微流控光器件等领域应用蓬勃开展,但是离子液体应用最关键的物理特性之一-电导率的规律以及离子的迁移机理至今仍存在争议,未能为人们理解。本文旨在针对以上问题进行研究分析。   首先概述了离子液体的特性和在光电子、微流控光学等方向的应用。探讨了基础的相关物理化学特性,如熔点、密度和粘度等。接着以最常用的咪唑类液体为例,详细讨论了离子液体导电规律。重点报导了电导率与阳离子取代基链长幂次方之间的线性依赖关系,总结了阴阳离子组合、离子结构等因素对电导率的影响。   在此前面分析的基础上,提出了一种基于空位理论的电导率模型。借助从头计算方法总结了这些常见室温离子液体的结构和电荷分布特征,提出了“牵引移动”理论用于修正空位模型,实现对室温离子液体电导率的精确估算。结果表明(1)对于常用的二十多种离子液体,使用修正模型可将电导率平均计算误差由27%降低至2%左右;(2)电导率计算值变化规律与使用NMR(核磁共振)实验扩散系数得出的计算值趋势相吻合;(3)离子迁移数与已报导的的数值吻合,同时可用于解释离子液体系统中,体积较大的阳离子却可以拥有较高迁移数的问题。   最后,从宏观物理量和定理出发,使用量纲分析方法导出离子液体电导率的一般性关系模型。结果具有较高的准确性和普适性,对300多组室温、高温离子液体及二元混合离子液体均适用。结果表明(1)离子液体的电导率与摩尔密度的4/3次方成正比,与动力学粘度成反比;(2)被广泛接受的Walden经验公式在离子液体系统中并不能足够准确地描述电导率关系;(3)给出计算载流子迁移率和解离度计算式,提出电导率、粘度、密度及解离度的经验模型并加以验证,给出常见离子液体的解离度和迁移率数值。   以上研究工作可作为理解离子液体导电机理、指导设计高电导率离子液体,以及开展离子液体在光电子、微流控光器件等领域大规模应用的基础。
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