离子液体中CuO及配合物Cu（N-MeIm）4（BF4）2的合成及性能研究

论文摘要

离子液体具有独特的结构和物理化学性质,近年来在无机纳米材料制备方面得到广泛的重视,尤其在纳米材料的微结构控制方面占有重要的地位,发挥了传统溶剂所不具备的优点,成为纳米材料制备领域中的研究热点之一。本论文以离子液体为介质,实现了CuO晶体在离子液体中的可控生长,合成了不同形貌的纳米材料,探讨了可控生长的机理,并剖析了纳米材料形貌与性能间的关系。通过离子液体的热分解,不但首次合成了配合物[Cu（N-MeIm）4（BF4）2]（N-MeIm=N-甲基咪唑）,而且在不加入任何还原剂的条件下成功制备出Cu2O、Cu和Ag,提出了可能的形成机理。采用一步法和两步法分别合成了离子液体[BMIM]Cl（1-丁基-3-甲基咪哗氯化物）、[BMIM]BF4（1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐）和[BMIM]PF6（1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐）,借助红外光谱分析和热重分析表征了其化学结构和热稳定性。以离子液体[BMIM]BF4为反应溶剂,采用溶剂热法在200℃反应20h,合成了空间群为P21/n的单斜晶系配合物[Cu（N-MeIm）4（BF4）2];通过改变反应物浓度、反应温度和反应时间,进一步加强离子液体[BMIM]Cl和[BMIM]BF4的热分解程度,使其发生碳化,以碳为还原剂将Cu（Ⅱ）和Ag（Ⅰ）还原,进而制备出氧化亚铜、单质铜和纳米银。采用微波-离子液体法在8min内实现了不同形貌CuO的可控合成。考察了铜源、离子液体种类、NaOH浓度、离子液体含量、微波加热功率以及反应时间等参数对纳米CuO形貌的影响。以硝酸铜为铜源,在[BMIM]BF4中合成了由宽度约0.8μ,m、长度约4.5μm的纳米片交叉排列的十字状花形CuO,在[BMIM]Cl中合成直径约40nm的CuO纳米棒,在水溶液中合成了纳米片同向排列的蛹状CuO;以醋酸铜为铜源,在[BMIM]BF4中合成了柳叶状CuO纳米片,延长反应时间合成了柳叶状纳米片聚集而成的菊花状CuO,增加离子液体含量合成了柳叶状纳米片分裂而成的CuO纳米棒。采用溶剂热-离子液体法在100～140℃实现了不同形貌CuO的可控合成。考察了铜源、反应物浓度、反应温度、反应时间、离子液体种类、表面活性剂及反应物加入顺序等参数对CuO形貌的影响。以醋酸铜为铜源,在[BMIM]Cl中140℃反应20h合成了长度70～100nm,直径15～20nm,两端为半球型CuO纳米棒。以氯化铜或硝酸铜为铜源,在[BMIM]BF4和[BMIM]Cl中,合成了单斜相结构的CuO纳米片,添加表面活性剂聚乙二醇后,形成表面光滑的CuO微球。以硝酸铜为铜源,先后加入[BMIM]BF4和NaOH溶液,合成了由厚度65～80nm、长度4～5μm、宽度约500nm、末端成60°尖角的纳米片在中间紧扎而形成的新型束状CuO。考察了不同形貌CuO对催化、电化学和光学性能的影响。研究表明,纳米CuO的尺度、比表面积、表面状态以及排列方式都将对高氯酸铵热分解反应和异丙苯氧化反应产生影响;柳叶状纳米CuO电极材料在Li/CuO半电池中具有良好的电化学性能;与体材料比较,CuO纳米棒、纳米片的光学禁带宽度均发生了不同程度的蓝移。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 纳米材料的制备方法和性能
• 1.2.1 纳米材料的制备方法
• 1.2.2 纳米材料的性能
• 1.3 离子液体体系在材料制备中的应用
• 1.3.1 离子液体的概念及性质
• 1.3.2 离子液体在纳米材料制备中的应用
• 1.3.3 离子液体在配合物制备中的应用
• 1.4 课题研究的意义及主要研究工作
• 第2章 实验部分
• 2.1 试剂及仪器
• 2.1.1 化学试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 离子液体的合成
• 2.2.2 微波-离子液体法
• 2.2.3 溶剂热-离子液体法
• 2.2.4 回流-离子液体法
• 2.2.5 纳米CuO催化高氯酸铵热分解反应
• 2.2.6 纳米CuO催化异丙苯氧化反应
• 2.2.7 Li/CuO半电池的制备
• 2.3 材料表征
• 2.4 本章小结
• 第3章 离子液体热稳定性研究
• 3.1 离子液体结构与热稳定性分析
• 3.1.1 离子液体结构分析
• 3.1.2离子液体热稳定性分析
• 4（BF₄）₂]的合成'>3.2 离子液体中配合物[Cu（N-MeIm）₄（BF₄）₂]的合成
• 3.2.1 引言
• 4（BF₄）₂]的X-射线晶体结构分析'>3.2.2 配合物[Cu（N-MeIm）₄（BF₄）₂]的X-射线晶体结构分析
• 4（BF₄）₂]的红外谱图分析'>3.2.3 配合物[Cu（N-MeIm）₄（BF₄）₂]的红外谱图分析
• 4（BF₄）₂]的紫外-可见光谱分析'>3.2.4 配合物[Cu（N-MeIm）₄（BF₄）₂]的紫外-可见光谱分析
• 4（BF₄）₂]的热稳定性分析'>3.2.5 配合物[Cu（N-MeIm）₄（BF₄）₂]的热稳定性分析
• 2O、Cu和Ag的合成'>3.3 离子液体中Cu₂O、Cu和Ag的合成
• 2O和Cu'>3.3.1 溶剂热-离子液体法合成微米Cu₂O和Cu
• 2O'>3.3.2 回流-离子液体法合成纳米Cu₂O
• 3.3.3 回流-离子液体法合成纳米Ag
• 3.4 本章小结
• 第4章 微波-离子液体法合成不同形貌CuO
• 4.1 微波-离子液体法合成十字状花形CuO
• 4.1.1 相结构分析
• 4.1.2 离子液体对CuO的修饰作用
• 4.1.3 形貌分析
• 4.1.4 形成机理探讨
• 4.2 微波-离子液体法合成柳叶状CuO纳米片及纳米棒
• 4.2.1 相结构分析
• 4.2.2 离子液体对CuO的修饰作用
• 4.2.3 形貌分析
• 4.3 本章小结
• 第5章 溶剂热-离子液体法合成不同形貌CuO
• 5.1 溶剂热-离子液体法合成CuO纳米棒
• 5.1.1 相结构分析
• 5.1.2 CuO纳米棒表面离子液体修饰作用
• 5.1.3 形貌分析
• 5.2 溶剂热-离子液体法合成CuO纳米片
• 5.2.1 相结构分析
• 5.2.2 CuO纳米片表面离子液体修饰作用
• 5.2.3 形貌分析
• 5.2.4 形成机理探讨
• 5.3 溶剂热-离子液体法合成束状CuO
• 5.3.1 相结构分析
• 5.3.2 束状CuO表面离子液体的修饰作用
• 5.3.3 形貌分析
• 5.3.4 形成机理探讨
• 5.4 本章小结
• 第6章 纳米CuO性能研究
• 6.1 纳米CuO催化高氯酸铵热分解反应研究
• 6.1.1 纳米CuO形貌对AP热分解效果的影响
• 6.1.2 纳米CuO形貌对AP热分解反应动力学的影响
• 6.2 纳米CuO催化异丙苯氧化反应的性能研究
• 6.2.1 柳叶状纳米CuO催化异丙苯氧化反应条件的确定
• 6.2.2 纳米CuO形貌对催化异丙苯氧化反应的性能影响
• 6.3 纳米CuO电极材料性能研究
• 6.3.1 纳米CuO形貌对电极充放电性能的影响
• 6.3.2 纳米CuO形貌对锂电池充放电循环寿命的影响
• 6.4 纳米CuO光学性能研究
• 6.4.1 CuO纳米棒的光学性能及禁带宽度测量
• 6.4.2 CuO纳米片的光学性能及禁带宽度测量
• 6.5 本章小结
• 结论
• 本文创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢