An electrochemical gas sensor based on paper supported room temperature ionic liquids

A sensitive and fast-responding membrane-free amperometric gas sensor is described, consisting of a small filter paper foil soaked with a room temperature ionic liquid (RTIL), upon which three electrodes are screen printed with carbon ink, using a suitable mask. It takes advantage of the high electrical conductivity and negligible vapour pressure of RTILs as well as their easy immobilization into a porous and inexpensive supporting material such as paper. Moreover, thanks to a careful control of the preparation procedure, a very close contact between the RTIL and electrode material can be achieved so as to allow gaseous analytes to undergo charge transfer just as soon as they reach the three-phase sites where the electrode material, paper supported RTIL and gas phase meet. Thus, the adverse effect on recorded currents of slow steps such as analyte diffusion and dissolution in a solvent is avoided. To evaluate the performance of this device, it was used as a wall-jet amperometric detector for flow injection analysis of 1-butanethiol vapours, adopted as the model gaseous analyte, present in headspace samples in equilibrium with aqueous solutions at controlled concentrations. With this purpose, the RTIL soaked paper electrochemical detector (RTIL-PED) was assembled by using 1-butyl-3-methylimidazolium bis(trifluoromethanesulfonyl) imide as the wicking RTIL and printing the working electrode with carbon ink doped with cobalt(II) phthalocyanine, to profit from its ability to electrocatalyze thiol oxidation. The results obtained were quite satisfactory (detection limit: 0.5 mu M; dynamic range: 2-200 mu M, both referring to solution concentrations; correlation coefficient: 0.998; repeatability: +/- 7% RSD; long-term stability: 9%), thus suggesting the possible use of this device for manifold applications.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

[bmim]Br3 as a new reagent for regioselective monobromination of arylamines under solvent-free conditions

Reaction of arylamines with 1-butyl-3-methylimidazolium tribromide ([bmim]Br3) under solvent-free conditions, gave selectively the corresponding monobromination products with excellent, yields.

Organic reactions in ionic liquids:Gewald synthesis of 2-aminothiophenes catalyzed by ethylenediammonium diacetate

Ionic liquids based on 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BmimBF4) and 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BmimPF6) were used as reusable alternatives to volatile organic solvents (VOCs) for ethylenediammonium diacetate (EDDA) catalyzed Gewald synthesis of 2-aminothiophenes. Significant rate enhancement and improvement of the yield were observed. The ionic liquids containing catalyst EDDA were recycled several times with no decreases in yields and reaction rates.

Organic reactions in ionic liquids:A new method for the synthesis of alkyl aryl sulfones by alkylation of sodium arenesulfinates with unactivated alkyl chlorides

A new method is reported for the synthesis of alkyl aryl sulfones by alkylation of sodium arenesulfinates with unactivated alkyl chlorides using ionic liquid based on 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BmimBF 4) mixed with water (2:1) as reaction media. The ionic liquid can be reused and the procedure gives the sulfones in moderate yields.

Organic reactions in ionic liquids: an efficient method for the N-alkylation of benzotriazole

The N-alkylation of benzotriazole with alkyl halides proceeds efficiently in the presence of potassium hydroxide in ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([Bmim][BF4]).

Organic reactions in ionic liquids:An efficient method for selective S-alkylation of 2-mercaptobenzothia(xa)zole with alkyl halides

Ionic liquids based on 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate (BmimPF6) and 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BmimBF4) are used as reusable reaction medium in the selective S-alkylation of 2-mercaptobenzothia(xa)zole with alkyl halides in the presence of potassium carbonate. This procedure is convenient, efficient, and generally gives rise to the S-alkylated product exclusively.

Organic reactions in ionic liquids: N-alkylation of cyclic imides with alkyl halides promoted by potassium fluoride

An ionic liquid based on 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate is used as an efficient reusable reaction medium in the N-alkylation of cyclic imides with alkyl halides promoted by fluoride ion.

Ionic liquid-accelerated N-arylation of benzoazoles with diaryliodonium salts, an efficient method for the synthesis of N-aryl azoles

N-Arylation of benzoazoles with diaryliodonium salts can be performed in good yields in the room-temperature ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([bmim]BF4), which provides an efficient method for the synthesis of N-arylbenzoazoles. The ionic liquid can be recycled and reused.

Organic reactions in ionic liquids: synthesis of alkyl aryl trithiocarbonates by the S-arylation of potassium carbonotrithioates with diaryliodonium salts

Various alkyl aryl trithiocarbonates were readily prepared in good yields by the S-arylation of potassium carbonotrithioates with diaryliodonium salts in the room-temperature ionic liquid, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([bmim]BF4). The ionic liquid can be recycled and reused.

Organic reactions in ionic liquids: N-alkylation of phthalimide and several nitrogen heterocycles

N-Alkylation of heterocyclic compounds bearing an acidic hydrogen atom attached to nitrogen with alkyl halides is accomplished in ionic liquids ([bmim]BF4 = 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate, [bmim]PF6 = 1-butyl-3-methylimida-zolium hexafluorophosphate, [buPy]BF4 = butylpyridinium tetra­fluoroborate) in the presence of potassium hydroxide as a base. In this manner, phthalimide, indole, benzimidazole, succinimide can be successfully alkylated. The procedure is convenient, efficient, and generally affords the N-alkylated product exclusively.

Ionic liquid-accelerated arylation of sodium arenesulfinates with diaryliodonium salts used for the synthesis of diaryl sulfones

Arylation of sodium arenesulfinates with diaryliodonium salts can be performed with good yields in the room-temperature ionic liquid, 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([BMim]BF4), which provides an efficient method for the synthesis of diaryl sulfones; the ionic liquid can be recycled and reused.

Organic reactions in ionic liquids: ionic liquid-accelerated nucleophilic substitution reaction of alpha-tosyloxyketones with potassium salts of aromatic acids

The room temperature ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate ([bmim][BF4]) is used as a ‘green' recyclable alternative to classical molecular solvents for the nucleophilic substitution reaction of a-tosyloxy ketones with potassium salts of aromatic acids. Significant rate enhancement and improved yields have been observed.

Intrinsically flexible electronic materials for smart device applications

A novel method to fabricate chemically linked conducting polymer–biopolymer composites that are intrinsically flexible and conducting for functional electrode applications is presented. Polypyrrole was synthesised in situ during the cellulose regeneration process using the 1-butyl-3-methylimidazolium chloride ionic liquid as a solvent medium. The obtained polypyrrole–cellulose composite was chemically blended and showed flexible polymer properties while retaining the electronic properties of a conducting polymer. Addition of an ionic liquid such as trihexyl(tetradecyl)phosphonium bis(trifluoromethylsulfonyl)imide, enhanced the flexibility of the composite. The functional application of these materials in the electrochemically controlled release of a model drug has been demonstrated. This strategy opens up a new design for a wide spectrum of materials for smart electronic device applications wherein the functionality of doping and de-doping of conducting polymers is retained and their processability issue is addressed by exploiting an ionic liquid route.

Mercury capture on a supported chlorocuprate(II) ionic liquid adsorbent studied using operando synchrotron X-ray absorption spectroscopy

Mercury scrubbing from gas streams using a supported 1-butyl-3-methylimidazolium chlorocuprate(II) ionic liquid ([C4mim]2[Cu2Cl6]) has been studied using operando EXAFS. Initial oxidative capture as [HgCl3]– anions was confirmed, this was then followed by the unanticipated generation of mercury(I) chloride through comproportionation with additional mercury from the gas stream. Combining these two mechanisms leads to net one electron oxidative extraction of mercury from the gas with increased potential capacity and efficiency for supported ionic liquid mercury scrubbers.