季磷盐电解质溶液的体积、粘度性质及电导率研究

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近年来,四烷基季磷盐由于其与商用超级电容器电解质(Et4NBF4)相似的结构和高的磷含量已经被广泛地关注。电解质溶液的热力学和物理化学性质对电解液中离子的传输起着重要的作用。然而,新的电解质溶液系统的相关基本特性和规则仍然很匮乏,特别是四烷基季磷盐在非水溶剂中的微观行为的研究。因此,本文系统研究了不同温度下系列四烷基季磷盐电解质在不同溶剂(碳酸丙烯酯及乙腈)中的体积、粘度及电导率性质,计算了一些重要的热力学参数,较系统地探讨了温度、离子尺寸等因素对电解质溶液中离子-离子及溶剂-离子相互作用的影响。本工作作为国家自然科学基金项目(21863006)的一部分,研究内容如下:1.在293.15–323.15 K温度范围内,首次测定了四烷基季磷盐(EBPBF4、TBPBF4、HBPBF4、EBPPF6、TBPPF6、HBPPF6)+碳酸丙烯酯(PC)或乙腈(AN)溶剂体系的密度,运用相关性很好的拟合方程表示了四烷基季磷盐溶液的密度与质量摩尔浓度的关系,计算了四烷基季磷盐在相关溶剂中的表观摩尔体积、极限偏摩尔体积和一些重要参数。此外,根据Franks等人给出的理论模型进一步讨论了研究系统中溶剂-离子相互作用。结果表明,四烷基季磷盐+PC溶剂体系的电解质溶液密度随电解质浓度增加而减小,而在AN溶剂体系的密度随电解质浓度的增大而增大,发现溶剂分子尺寸对电解质溶液密度影响明显,这种现象可以解释为电解质盐与分子尺寸大的溶剂形成的溶剂化物之间有更大的空间位阻。研究还表明,四烷基季铵盐+PC或AN溶剂体系的极限偏摩尔体积均随温度的升高而增大。相同温度下,四烷基季磷盐+PC溶剂体系的极限偏摩尔体积比四烷基季磷盐+AN溶剂体系的极限偏摩尔体积更大;相同溶剂中,电解质溶液的极限偏摩尔体积随离子尺寸的增大而增大。这种现象可从离子和溶剂分子的固有体积的贡献大小得到阐释。2.在293.15-323.15 K温度范围内,四烷基季磷盐(EBPBF4、TBPBF4、HBPBF4、EBPPF6、TBPPF6、HBPPF6)+碳酸丙烯酯(PC)或乙腈(AN)溶剂体系的粘度值被首次测定,计算了四烷基季磷盐在相应体系的粘度B系数和粘性流动的活化能。结果表明,相同溶剂中,所研究电解质溶液的粘度B系数均随离子尺寸的增大而增大。同时,所研究电解质溶液的d B/d T值都是负的,表明离子的流体力学体积随着温度的升高而减少,这归因于温度的升高导致溶剂-离子相互作用减小。此外,运用了Arrhenius和Vogel-Fulcher-Tammann(VFT)方程拟合粘度对温度的关联性,结果表明VFT方程比Arrhenius方程对粘度随温度的变化拟合效果更好;运用Eyring过渡态理论讨论了溶液流动的活化能,结果表明溶剂与离子间的相互作用力在基态时要强于过渡态。3.在293.15-323.15 K温度范围内,四烷基季磷盐(EBPBF4、TBPBF4、HBPBF4、EBPPF6、TBPPF6、HBPPF6)+碳酸丙烯酯(PC)或乙腈(AN)溶剂体系的电导率被首次测定。通过分析电导率数据,计算了相应四烷基季磷盐体系的摩尔电导率和离子迁移活化能。研究结果表明:四烷基季磷盐在AN中的电导率约是PC中的四倍,这主要归因于AN的粘度小,极性大,更有利于离子的传输。此外,Arrhenius方程适用于计算此类电解质溶液的离子迁移活化能,其相关系数r~2均大于0.999。
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