离子液体/金属电极界面结构的现场电化学SERS研究

论文摘要

室温离子液体作为一种新型非水溶剂，具有宽的电化学窗口、低的蒸汽压以及良好导电性等特点，已被广泛用于电化学领域。由于离子液体提供了一种完全不同于传统水溶液和有机溶剂的离子环境，“离子液体/金属电极”界面的性质及结构与以往研究的体系存在一定差别，为此研究“离子液体/金属电极”界面结构对于拓宽其应用范围具有重要的理论意义。本文将具有高灵敏度的表面增强拉曼光谱（SERS）与电化学技术结合，通过关联离子液体中离子或分子的光谱与电化学控制的关系，从分子水平上解析“离子液体/金属”界面结构、性质，为“离子液体/金属电极”界面新理论的建立提供依据，主要研究内容和结果如下：1、发展适合离子液体/金属电极体系的电化学SERS技术，以4-氰基吡啶（4-CNPy）为探针，并结合SERS的表面选律、电化学Stark效应等手段，研究其在离子液体中Pt、Au电极表面上的吸附行为。研究结果表明，较正电位下4-CNPy通过吡啶环上的氮原子与电极表面作用；较负电位下，咪唑阳离子以倾斜甚至平躺方式吸附在电极表面，4-CNPy则以平躺方式吸附在电极表面。相对于水溶液体系，离子液体中氰基伸缩振动谱峰的电化学Stark系数较小，主要由于“离子液体/金属”界面极高的离子强度及咪唑阳离子的共吸附。2、考察[BMIM]BF4离子液体中[BMIM]SCN在Au电极表面的吸附及水对界面结构的影响。结果表明，离子液体中SCN-在较宽的电位范围内吸附在Au电极上，在-0.4V-0.8V区间内，以S端吸附为主；而在-0.8V-2.0V区间内，以N端吸附为主。在离子液体中加入水后， C≡N的Stark位移明显增大，且咪唑阳离子的吸附情况发生显著变化。说明水分子进入到离子液体/电极界面双电层中，影响阴阳离子排布。3、探索[BMIM]BF4中CO在Pt电极表面的吸附行为并研究含水浓度变化的影响，采用循环伏安法研究了水的加入对离子液体界面结构和CO在Pt电极上的电化学性质影响。由于水的存在为CO氧化和Pt电极氧化提供氧源，水含量越多，氧化峰电位负移，CO的氧化反应更易发生。水的引入还使CO在Pt电极上[BMIM]BF4中的吸附方式多样化，同时存在线性吸附和桥式吸附，并导致COL的Stark位移较纯[BMIM]BF4增大。4、初步研究了采用恒电位技术在[BMIM]BF4离子液体中获得不同组成和形貌的铜沉积物，考察了表面沉积层组成及结构与沉积电位的关系，并以吡啶为探针分子，研究了沉积膜的SERS效应、催化活性以及SERS信号的均匀性。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 离子液体简介
• 1.1.1 离子液体的物理化学性质
• 1.1.2 离子液体的合成与纯化
• 1.1.3 离子液体在电化学中的应用
• 1.2 “溶液/电极”界面的结构与性质
• 1.2.1 稀电解质水溶液体系中双电层理论
• 1.2.2 高温熔盐体系中双电层理论
• 1.2.3 “离子液体/电极”界面双电层性质研究进展
• 1.3 谱学技术研究“离子液体/电极”界面结构及性质
• 1.3.1 红外光谱研究
• 1.3.2 二次谐波及组频和合频技术的研究
• 1.3.3 表面增强拉曼光谱的研究
• 1.4 本论文的研究目的及设想
• 参考文献
• 第二章 实验
• 2.1 实验试剂
• 2.2 电极、电解池及电极表面的处理
• 2.2.1 电极
• 2.2.2 电解池
• 2.2.3 电极表面的粗糙
• 2.3 仪器
• 2.3.1 电化学仪器
• 2.3.2 拉曼光谱仪
• 2.4 离子液体的合成及表征
• 2.4.1 离子液体的合成
• 2.4.2 离子液体的表征
• 参考文献
• 第三章 离子液体中 4-CNPy 吸附的电化学及 SERS 研究
• 3.1 4-CNPy 在离子液体中 Pt 电极上的 SERS 研究
• 3.2 4-CNPy 在离子液体及水中 Au 电极上的 SERS 研究
• 3.2.1 4-CNPy 在纯离子液体中 SERS 研究
• 3.2.2 4-CNPy 在水溶液中的 SERS 研究
• 3.2.3 4-CNPy 的共吸附研究
• 3.3 本章小结
• 参考文献
• 第四章 [BMIM]SCN 在离子液体及水体系 Au 电极上吸附的 SERS 研究
• 4.1 [BMIM]SCN 在离子液体中 Au 电极上的 SERS 研究
• 4.2 [BMIM]SCN 在含水离子液体中 Au 电极上的 SERS 研究
• 4.3 [BMIM]SCN 在水溶液中 Au 电极上的 SERS 研究
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 第五章 离子液体中 CO 吸附在 Pt 电极上的电化学及 SERS 研究
• 5.1 CO 吸附时间的影响
• 5.2 电极表面控电位吸附 CO
• 5.3 水含量对 CO 在 Pt 电极上 CV 的影响
• 5.4 不同量的[BMIM]BF4对 CO 在 Pt 电极上的影响
• 5.5 CO 氧化峰电量及覆盖度的计算
• 5.6 CO 在 Pt 电极表面的 SERS 研究
• 5.7 本章小结
• 参考文献
• 第六章 离子液体中 Cu 的电沉积及 SERS 研究
• 6.1 Cu/Cu2O 纳米薄膜的制备
• 6.2 Cu/Cu2O 纳米薄膜的表征
• 6.2.1 循环伏安表征
• 6.2.2 XRD 表征
• 6.2.3 SEM 表征
• 6.3 Cu/Cu2O 纳米薄膜的 SERS 研究
• 6.4 Cu/Cu2O 纳米薄膜的催化性能研究
• 6.5 本章小结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表与交流论文
• 致谢