基于室温离子液体的电化学氧气传感器研究

The traditional electrolyte has some problems, for instance, volatilization, causing short life of electrochemical oxygen sensor and poor stability. Ionic liquid as a new type of electrolyte, owing to its low-volatilization, good electrochemical properties, thermal stability and other characteristics, has been paid much attention and widely used in the field of green synthesis, fuel cells, dye-sensitized solar cell. The study of ionic liquid as electrolyte, which is applied in electrochemical gas sensor, is carried out in recent years. The characteristics of ionic liquids can effectively solve the current problems of electrochemical gas sensors. But due to its viscosity, causing the slowly diffusion rate of molecular oxygen and thus affected the response time of gas sensor. Based on the above, we want to develop a novel ionic liquid which utilized the tunability of its structure and composition, to meet the requirement of electrochemical oxygen sensor. We would study on the diffusion of oxygen, electrochemical behavior, and the performance of mixed electrolyte which is composed of multicomponent ionic liquids. On this basis, we also investigate the functionalized ionic liquid integrating electrolyte and catalytic electrode, and finally apply to electrochemical oxygen sensor, in order to obtain an electrochemical oxygen sensor of long life, high stability and excellent response time.

传统电解质存在挥发等问题，造成电化学氧传感器存在寿命短、稳定性差的问题。室温离子液体作为一种新型电解质，由于具有低挥发性、良好的电化学性能、热稳定性等特点受到重视，被广泛应用在绿色合成、燃料电池、染料敏化太阳能电池等领域。离子液体作为电解质应用在电化学气体传感器中的研究则是近年来才开展的。离子液体具有的特性能够有效的解决目前电化学气体传感器存在的问题，但其黏度大，氧分子在其中的扩散速度慢，传感器响应时间受到影响。本课题将利用离子液体结构、组成的可调性，对离子液体进行设计，制备满足电化学氧传感器要求的离子液体，对氧分子在其中的扩散、电化学行为以及多组分离子液体混合电解质性能进行研究。在此基础上，对集电解质与催化电极功能于一体的功能化离子液体进行研究，最终应用到电化学氧传感器中，制作出长寿命、高稳定性、具有良好响应时间的电化学氧传感器。

用于探测氧气的传感器分为很多类，其中电化学气体传感器由于其在灵敏度和选择性上卓越的性能，使其成为最有前景的选择。然而，电化学气体传感器中的传统电解质存在溶剂易蒸发、生命周期短的问题。使用室温离子液体（RTILs）代替传统溶剂可避免这些问题。室温离子液体具有无毒、低蒸气压、高导电性、宽电化学窗口、高的物理化学稳定性和对于一系列气体的高溶解度，特别是可以忽略不计的蒸气压消除了溶剂蒸发的问题。本项目合成了功能化咪唑基离子液体作为氧气传感器的电解质，对集电解质和催化电极功能于一体的功能化离子液体和多组分离子液体混合电解质的性能进行了详细研究。本项目采用简单的一锅法成功制备了室温下呈固态的1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（EMIMPF6）和1-丙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（PMIMPF6），以及室温下呈液态的1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐（BMIMPF6），并对上述三种ILs进行电化学测试，结果表明BMIMPF6性能最佳。将湿化学还原法制得的铂纳米粒子修饰的酸化有序介孔碳（Pt/CMK-3-COOH）与BMIMPF6均匀混合，经测试可知，氧气浓度与响应电流呈现良好的线性关系，证明该混合体系作为电解质组装的传感器对氧气有较好的敏感性能。为改善单一ILs黏度大的弊端，将1-乙烯基咪唑（VIM）与EMIMPF6、PMIMPF6和BMIMPF6分别混合，通过调整两种ILs的质量百分比，得出性能最佳的配比为40%EMIMPF6+60%VIM。并在此基础上混入电沉积法制得的钴包覆的碳纳米线（Co/C），通过一系列测试，确定38%EMIMPF6+57%VIM+5%Co/C复合材料具备最佳的电化学性能和氧敏性能。采用VIM分别与溴乙烷（C2H5Br）、溴丙烷（C3H7Br）和溴丁烷（C4H9Br）通过控制实验温度和反应时间合成三种1-烷基-3-乙烯基咪唑溴盐（AVIMBr）中间体，再通过24 h的冷凝回流交换阴离子，制得三种1-烷基-3-乙烯基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐（AVIMTFSI）。通过电化学测试可知，1-丁基-3-乙烯基咪唑双三氟甲基磺酰亚胺盐（BVIMTFSI）的性能较优，再向该ILs中加入VIM制备共混体系并测试该混合体系的电化学性能和氧敏性能，最后通过加入共溶剂降低ILs黏度进而提高了ILs导电率，结果表明ILs的性能得到显著提升。