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离子液体因具有优良的物理、化学性质,引起了人们的广泛关注,已经在许多领域中得到了广泛应用。功能化含氟离子液体的制备与应用是离子液体领域研究的热点,氟原子的引入赋予了离子液体很多有价值的特定功能。有机鎓的四氟铝酸盐作为一种新型含氟离子液体,可以用于铝电解电容器用电解液等。但目前所报道有机鎓的四氟铝酸盐的合成方法均以剧毒的氟化氢或者易爆的烷基铝化合物为原料,对设备要求高,危险性大,操作复杂,且关于其物理及电化学性质也没有详细地报道。本文采用两种方法合成了四种季铵类四氟铝酸盐,并对其物理及电化学性质进行了系统研究,旨在开发一种熔点相对较低、电导率高、热稳定性和电化学稳定性好的新型含氟离子液体,主要研究内容如下:
(1)采用两种合成路线分别制各了四种季铵类四氟铝酸盐。一是采用不同烷基取代的氟化铵三水化合物与氟化铝三水化合物反应制备了阳离子分别为四甲基铵、四乙基铵、四丙基铵及四丁基铵,阴离子为四氟铝酸根的季铵类四氟铝酸盐,在优化的反应条件下,其收率约为90%;采用25%的四丁基氢氧化铵水溶液与六氟铝酸铵反应的新方法合成了四丁基四氟铝酸铵,在优化的反应条件下,得到了高纯度产品,收率约为56%;与文献报道的其他方法相比,该法安全性好,对设备要求低,操作简单。
(2)使用元素分析、1H-NMR、19F-NMR、MSI-MS、FTIR、Raman等分析表征手段对四种产品的结构进行了确认,证明所得产品即为目标产物。对两种合成方法所得的四丁基四氟铝酸铵产品结构进行了对比分析,发现其结果完全一致,均为目标产物。
(3)对四种季铵类四氟铝酸盐的物理及电化学性质进行了对比分析,发现四丙基四氟铝酸铵和四丁基四氟铝酸铵具有较宽的液程范围,是一种很有潜力的电解质。在220~300℃范围内,熔融态四丙基四氟铝酸铵和四丁基四氟铝酸铵的电导率随着温度的升高逐渐增加。电化学稳定性随着温度的升高逐渐降低,熔融态四丙基四氟铝酸铵的电化学窗口由220℃的4.6 V降到了280℃的4.3 V;熔融态四丁基四氟铝酸铵的电化学窗口由220℃的4.7V降到了260℃的4.2V。