室温离子液体作为一种新型的绿色溶剂,其特有的低蒸气压、高沸点、良好的电导率和宽的电化学窗口等性质相对于传统的水溶液体系有着广阔的应用前景,但目前对“电极/离子液体”界面双电层结构的认识依旧十分模糊。相对于水溶液体系的双电层结构而言,“电极/离子液体”界面双电层结构有着截然不同的特点和性质。近年来各种研究表明,离子液体在电极表面附近会自发形成有序的阴、阳离子相间的类固态状的层状结构,但对这种层状结构研究都还停留在较为初步的阶段,关于电极电位对层状结构中阴、阳离子排布方式和结构特征影响的系统研究至今还没有报道。因此,深入探究在不同荷电状态下单晶电极表面离子液体的“层状结构”,对我们认识电极.离子液体界面双电层有着极其重要的意义。　　 本论文运用原位AFM(EC-AFM)力曲线技术和电化学测量手段,系统研究了两种烷基侧链长度的咪唑阳离子与六氟磷酸根阴离子构成的离子液体在Au(111)单晶电极表面附近的层状结构的数目、厚度和稳定性及其对电位(表面电荷密度)和温度的依赖性,以期获得关于离子液体中阴、阳离子组分在界面的排列方式,为建立“电极/离子液体”界面双电层的合理模型提供实验依据。主要研究内容和结果如下:　　 1.通过测量体系的零电荷电位(PZC)及电荷密度与电位曲线,了解“电极/离子液体”双电层区间的电化学行为。随后,运用EC-AFM力曲线技术系统研究Au(111)/[BMI][PF6]界面形成的层状结构随电极电位变化,通过详细的力曲线统计分析,获得了PZC电位以正、PZC电位和PZC电位以负三个电位区间内层状结构的数目、厚度和稳定性等结构信息,并建立了反映力与电位(和表面电荷)关系的F-E曲线,讨论了三个电位区间的层状结构的特征。结果表明:在所研究范围内(-0.9 V～0.5 V),Au(111)/[BMI][PF6]界面由富含阳离子或富含阴离子的内层和电中性的外层构成,外层层状结构是固体表面附近固有的特性,最大为三层;内层层状结构是荷电表面影响的结果,且随表面荷电荷密度的增加数目可达两层,但电位对第一内层的影响远高于第二层。由此可得的重要结论是,电极-离子液体界面的双电层实际上被束缚在小于2 nm的很小的范围内,且界面电场的影响急剧衰减;而电中性外层层状结构的存在说明该电极.离子液体界面不存在荷电的分散层。　　 2.将研究体系拓展到Au(111)/[OMI][PF6],运用EC-AFM力曲线方法对比研究Au(111)/[OMI]][PF6]界面在PZC电位以正、PZC电位和PZC电位以负三个电位区间内层状结构的数目、厚度和稳定性等结构信息,并加以详细分析。由于OMI+较BMI+具有长得多的烷基,离子在界面中的排列可能表现出阴、阳离子排布的亚层状结构。研究发现,Au(111)/[OMI][PF6]界面同样由富含阳离子或富含阴离子的内层和电中性的外层构成。外层层状结构是固体表面附近固有的特性,最大为一层,而内层层状结构是荷电表面影响的结果,内层数目同样为一层。同时,通过对反应亚层状结构的力曲线的详细分析和讨论,初步构建了该离子液体中阴、阳离子在界面随电极电位而变的排布方式,PZC电位以正区间,阴离子首先吸附在电极表面,随后是阳离子的烷基链,最后是阳离子的咪唑环;而在PZC电位以负区间,阳离子的咪唑环首先发生吸附,继而是阳离子的烷基链,最后是阴离子;在PZC电位附近,阴阳离子则采取相互交叉的方式自由的吸附在电极表面。　　 3.在一定的温度范围内,系统研究和比较了上述二种离子液体层状结构数目、厚度、稳定性等特征受温度的影响,从而揭示双电层结构的温度依赖性。研究发现,在15到40℃的温度范围内,温度越低,离子液体层状结构越稳定,这是因为温度越低,离子的热运动剧烈程度越小,越有利于保持层状结构的稳定性。温度对[OMI][PF6]离子液体层状结构的稳定性和数目的影响比[BMI][PF6]要缓和:温度改变5℃,[OMI][PF6]在-1.6 V下第一层层状结构的力值变化仅为1到2 nN,而[BMI][PF6]在-1.0 V第一层层状结构的力值变化为3到5 nN;较低温度下,[BMI][PF6]中的层状结构的数目有所增加,但是[OMI][PF6]的层状数目始终都保持在两层,随温度的变化并不敏感。这种差异可能为两种离子液体的阳离子尺寸差异导致与电极表面的作用方式和强度差异所致;同时,[OMI]][PF6]比[BMI][PF6]更粘稠,温度改变对离子的热运动的影响效果不如BMI敏感。