具有压电效应的离子液体

以下文章来源于ACS材料X ，作者ACS Publications

英文原题：Ionic Liquids Exhibit the Piezoelectric Effect

本解读由中科院过程工程研究所何宏艳研究员提供

通讯作者：G. J. Blanchard，密歇根州立大学化学系

第一作者：Md. Iqbal Hossain

研究背景

压电效应于一个多世纪前发现。自被发现起，压电效应就受到了广泛关注和应用，特别是在纳米致动器、生物传感器以及其他小振幅运动控制过程中。直接压电效应是对材料施加力时产生电荷，而反向压电效应则是施加电势时材料尺寸发生变化。但是到目前为止，直接压电效应主要在固相材料中才能被观察到。

快讯亮点

(1) 首次在纯液体中观测到直接压电效应，比石英中的压电效应小一个量级；

(2) 对于室温离子液体而言，在施加力时会产生压电电势，且电势大小与压力成正比。

内容介绍

本工作中用于测量室温离子液体中的压电效应装置如图1所示。装置主体由钢制成，活塞由聚甲醛制成，并配有钢中心电极。聚甲醛活塞包含一个O形环(氟利昂)，以确保与室温离子液体接触时的密封性，该密封方式对液体有效但是空气可以逸出。作为施加在活塞上的力的函数，力感应出的电荷会在装置主体与活塞中心电极之间产生开路电压。

图1. 用于测量室温离子液体中直接压电效应的装置示意图

采用上述实验装置，本工作测量了两种室温离子液体(BMIM+ TFSI−和HMIM+ TFSI−)中的直接压电效应，不同压力脉冲下实验测得的电压与时间关系如图2所示。当施加压力时，开路电压会明显增加，并且响应时间极短。图2b总结了具体的开路电压与压力之间的关系，可以发现随着压力增加，开路电压呈现线性增加趋势，由此获得了室温离子液体对压力的线性响应行为。

图2. (a)基于BMIM+TFSI−测量的电压与时间的关系，每个峰值上方显示的值是所施加的压力。(b)开路电压与施加压力间的关系，其中斜率为16±1 mV/N。（c-d）施加力前后纯乙二醇（红线）和含1M NaCl的乙二醇体系的开路电压。

同时，图2(c-d)中总结了乙二醇和含1M NaCl的乙二醇的测试结果，发现施加压力前后开路电压变化不明显，而且开路电压仅为350 mV或者更小。但是随着时间推移，由于系统内的杂散电容充电会导致电压缓慢提升。对比离子液体与乙二醇体系，可以发现乙二醇及NaCl-乙二醇体系的开路电压只有离子液体体系的1/20，可以认为不存在直接压电效应。此外，根据开路电压与施加压力大小的关系，可以判断不同离子液体体系压电效应的大小。室温离子液体阳离子烷基链长度对压电响应影响较小，需要更多研究来建立室温离子液体组成结构和压电响应之间的关系。

总结与展望

本工作首次报道了液相材料、室温离子液体BMIM+TFSI-和HMIM+TFSI−中的直接压电效应。离子液体中直接压电效应比广泛使用的压电材料石英小接近一个量级，但是室温离子液体作为一类绿色介质更容易回收且对环境影响较小，因此，离子液体体系的直接压电效应可以为相关新的应用提供机遇。

通讯作者信息

G. J. Blanchard, 美国密歇根州立大学化学系。

Email: blanchard@chemistry.msu.edu

转自：“ACS美国化学会”微信公众号

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