CN111154076A - 一种含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种如式(I‑I)、(I‑II)所示的含三苯胺‑噻吩结构的聚离子液体及其制备方法,所述的聚离子液体中的不同阴离子可通过电化学聚合过程中电解质阴离子的选择而改变;本发明合成了新的含不同种类阴离子的具有电致变色性质的离子液体,通过电化学聚合得到了相应的聚合物薄膜,且该聚离子液体阴离子种类仅与电解质阴离子种类有关,具有离子可控的特点,可作为通用型原材料在只需调整电解质种类的情况下制备含不同阴离子的聚离子液体应用于电致变色等有机光电功能材料的制备。
Description
技术领域
本发明涉及一种含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体及其制备方法,以及将该材料应用于新型光电功能材料领域。
背景技术
近年来,电致变色材料作为一种新型的光电功能材料引起了人们的广泛关注。这类材料可以在外加电压的作用下发生颜色可逆的变化,并且颜色种类丰富、易于加工。有机电致变色材料更是由于其结构种类的多样性,在实际应用上具有相当大的潜力。
与此同时,离子液体凭借其较高的离子电导率、较宽的电化学窗口、优异的电化学稳定性广泛应用于电致变色材料中的电解质部分。然而,通过分子设计,离子液体将不仅含有电解质的属性,具有变色单元结构的离子液体同时也能作为电致变色材料。兼具变色和电解质功能的离子液体材料可以优化电致变色器件的设计结构,减少组装步骤,降低经济成本。然而,传统的聚离子液体制备需要单体材料本身就含有不同的阴离子,大大增加了原材料制备的复杂性。
发明内容
为了解决该问题,本发明利用材料离子置换的特性,设计一类经电化学聚合后,离子液体本身的阴离子会被电解质中的阴离子取代的材料。
本发明的目的是设计合成一种含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体及其制备方法,通过改变电解质的种类,可以制备含不同阴离子的聚离子液体,以及将该材料应用于新型光电功能材料领域。
本发明的技术方案如下:
一种如式(I-I)或(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体PTTPAC2IL-BF4;
本发明所述式(I-I)或(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体的制备方法具体按照如下步骤进行制备:
(1)将式(V)所示的中间产物、4-二甲氨基吡啶溶(4-DMAP)、 1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐(EDCI)、2-溴-1-已醇溶于二氯甲烷溶液中,于20~40℃下反应12~16h,反应结束后,得到反应液A经后处理,得到式(VI)所示的中间产物;所述式(V)所示的中间产物、4-二甲氨基吡啶溶、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、2-溴-1-已醇的投料物质的量之比为1:0.5~0.75:2~3:1.5~2;
(2)将式(VI)所示的中间产物、1-甲基咪唑溶于乙腈或二氯甲烷溶液中,于60~80℃下反应30~36h,反应结束后,得到反应液B,经后处理得到式(VII)所示的中间产物;所述式(VI)所示的中间产物、1-甲基咪唑的投料物质的量之比为1:1.25~1.5;
(3)避光条件下,将式(VII)所示的中间产物、四氟硼酸银溶于甲醇溶液中,室温反应3h,反应结束后,得到反应液C,经后处理得到式(VIII)所示的单体;所述式(VII)所示的中间产物、四氟硼酸银的投料物质的量之比为1:1.25~1.5;(4)将步骤(3)所得式(VIII)所示的化合物作为单体,溶解于体积比7:3的乙腈/二氯甲烷混合溶剂中,以四氟硼酸锂(LiBF4)、高氯酸锂(LiClO4)或四丁基高氯酸胺 (TBAP)为电解质,采用0~1.4V循环伏安聚合,聚合扫速为0.1V/s,电化学聚合得到式(I-I)或(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体,所述的电解质为四氟硼酸锂(LiBF4)时,得到的产物为式(I-I) 所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体,所述的电解质为高氯酸锂 (LiClO4)或四丁基高氯酸胺(TBAP)时,得到的产物为(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体;所述电解质的用量以乙腈/二氯甲烷混合溶剂的总体积计为0.1mol/L;所述式(VIII)所示的化合物的用量以乙腈/二氯甲烷混合溶剂的总体积计为1~3mmol/L;
进一步,步骤(1)中,所述二氯甲烷的体积用量以式(V)所示的中间产物的质量计为20~25mL/g。
进一步,步骤(1)中,所述反应液A的后处理方法为:待反应液 E冷却至室温,加入水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥,进行柱层析分离途纯,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸除溶剂并干燥,得到式(VI)所示的中间产物。
进一步,步骤(2)中,所述乙腈或二氯甲烷的体积用量以式(VI) 所示的中间产物的质量计为20~25mL/g。
进一步,步骤(2)中,所述反应液B的后处理方法为:待反应液 B冷却至室温,旋蒸除去乙腈并加入冰乙酸乙酯,过滤所得固液混合物,收集滤饼并置于60℃下真空干燥24h,得到式(VII)所示的中间产物。
进一步,步骤(3)中,所述甲醇的体积用量以式(VII)所示的中间产物的质量计为60~75mL/g。
进一步,步骤(3)中,所述反应液C的后处理方法为:避光条件下,将反应液C过滤得固液混合物,收集滤液并旋蒸除去溶剂,置于60℃下真空干燥24h,得到式(VIII)所示的单体。。本发明所述式(V) 所示的中间产物具体按照如下步骤进行制备:
1)在氮气保护下,将氢化钠溶解于N,N-二甲基甲酰胺中充分搅拌至气泡产生,然后加入二苯胺和对氟苯氰,于100~120℃下反应12~16 h,反应结束后,得到反应液A,待反应液D冷却至室温后,加入水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥,进行柱层析分离途纯,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸除溶剂并干燥,得到式(II)所示的中间产物;所述氢化钠、二苯胺和对氟苯氰的投料物质的量之比为2~3: 1:1~1.5;所述N,N-二甲基甲酰胺的体积用量以氢化钠的质量计为 27~34mL/g;
2)避光条件下,将式(II)所示的中间产物、N-溴代琥珀酰亚胺溶于N,N-二甲基甲酰胺中,于室温下反应20~24h,反应结束后,得到反应液E,待反应液E冷却至室温后,加入水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥,进行柱层析分离途纯,以二氯甲烷/ 石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸除溶剂并干燥,得到式(III)所示的中间产物;所述式 (II)所示的中间产物、N-溴代琥珀酰亚胺的投料物质的量之比为1: 2~3;所述N,N-二甲基甲酰胺的体积用量以式(II)所示中间产物的质量计为10~15mL/g;
3)氮气保护下,将式(III)所示的中间产物、碳酸钾、双(三苯基膦)二氯化钯、2-噻吩硼酸溶于甲醇和甲苯的混合溶剂中,于 90~110℃下反应20~24h,反应结束后,得到反应液F,待反应液F 冷却至室温,加入水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥,进行柱层析分离途纯,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸除溶剂并干燥,得到式(IV)所示的中间产物;所述式(III)所示的中间产物、碳酸钾、双(三苯基膦)二氯化钯、2-噻吩硼酸的投料物质的量之比为 1:3~4:0.1~0.15:2.5~3;所述甲醇和甲苯的总体积用量以式(III) 所示的中间产物的质量记为13~15mL/g;所述的甲醇和甲苯的体积比为1:0.9~1.1;
4)将式(IV)所示的中间产物溶于无水乙醇和质量分数为25%的NaOH溶液中,于70~90℃下反应12~16h,反应结束后,得到反应液 G,待反应液G冷却至室温,加入HCl进行酸化,过滤析出的黄色固体产物,用去离子水冲洗,并置于60℃下真空干燥24h,得到式(V) 所示的中间产物;所述的无水乙醇和NaOH溶液加入总量以式(IV) 所示的中间产物的质量记为16~20mL/g;所述无水乙醇和NaOH溶液的体积比为1:0.9~1.1;
本发明通过核磁共振(NMR)、气质联用(GC-MS)、红外(FTIR) 表征了目标产物。采用电化学工作站660E,紫外-可见吸收光谱表征了所得聚离子液体薄膜的电化学及光学性能。本发明制得的聚离子液体薄膜具有良好的氧化还原性质,不同阴离子的单体在相同电解质下经过电化学聚合后,由于离子置换的效应,能制备得含相同阴离子(电解质阴离子)的聚离子液体。
本发明所述的如式(I-I)或(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体应用于制备电致变色材料。
本发明所述的材料具有高对比度、快速响应、离子可控的特点,可应用于电致变色、储能等领域,在智能窗、显示器等领域具有潜在的应用前景。
与现有技术相比,本发明的有益效果在于:合成了新的含不同种类阴离子的具有电致变色性质的离子液体,通过电化学聚合得到了相应的聚合物薄膜,且该聚离子液体阴离子种类仅与电解质阴离子种类有关,具有离子可控的特点,可作为通用型原材料在只需调整电解质种类的情况下制备含不同阴离子的聚离子液体。
附图说明
图1:本发明实施例8中单体分别在电解质LiBF4、LiClO4、TBAP 中的循环伏安聚合曲线;
图2:本发明实施例8中薄膜1、2、3的循环伏安曲线;
图3:本发明实施例8中薄膜1、2、3的全波段紫外吸收曲线;
图4:本发明实施例8中薄膜1、2、3的对比度和响应时间。
具体实施方式
下面以具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明,但本发明的保护范围不限于此。
实施例1 4-(二苯胺基)苯甲腈的合成
在氮气保护下,将氢化钠(1.496g,62.3mmol)溶解在DMF(40mL) 中,充分搅拌直至没有气泡产生。将二苯胺(5.11g,30.2mmol)加入溶液,待温度升至110℃稳定后,缓慢加入对氟苯氰(4.49g,37.1 mmol),体系回流反应12h。反应结束后,待反应液冷却至室温,加入饱和食盐水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥后,减压浓缩,进行柱层析分离提纯。以300-400目硅胶为固定相,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸馏除去溶剂并干燥,得到如(II)所示白色粉状的中间产物4(二苯胺基)苯甲腈化合物4.75g,产率为58.2%。1H NMR(500 MHz,CDCl3):δ7.43(t,2H),7.35(d,4H),7.18(d,2H),7.16(t,4H),6.97 (d,2H);MS(EI):m/z(%):271.1.
实施例2 4-(二(4-溴苯基)氨基)苯甲腈的合成
在避光条件下,将中间产物4(二苯胺基)苯甲腈化合物(4g,14.8 mmol)溶于DMF(30mL)中,逐滴加入溶解在DMF(15mL)中的 NBS(6.59g,37.1mmol)溶液,室温下反应24h。反应结束后,待反应液冷却至室温,加入饱和食盐水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥后,减压浓缩,进行柱层析分离提纯。以300-400 目硅胶为固定相,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸馏除去溶剂并干燥,得到如(III)所示白色粉状的中间产物4(双(4-溴苯基)氨基)苯甲腈化合物6.01g,产率为95.6%。1H NMR(500MHz,CDCl3):δ7.45(d,6H), 7.00(d,6H);MS(EI):m/z(%):428.9.
实施例3 4-(二(4-(噻吩-2)苯基)氨基)苯甲腈的合成
在氮气保护下,将中间产物4-(二(4-溴苯基)氨基)苯甲腈(3.75 g,8.76mmol)、碳酸钾(5.4g,39.12mmol)、双(三苯基膦)二氯化钯 (780mg,1.11mmol)、2-噻吩硼酸(3.9g,30.47mmol)溶于甲醇(50 mL)和甲苯(50mL)的混合溶液中,100℃下反应24h。反应结束后,待反应液冷却至室温,加入饱和食盐水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥后,减压浓缩,进行柱层析分离提纯。以300-400目硅胶为固定相,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸馏除去溶剂并干燥,得到如(IV)所示白色粉状的中间产物4-(二(4-(噻吩-2) 苯基)氨基)苯甲腈化合物2.79g,产率为73.2%。1H NMR(500MHz, CDCl3):δ7.59(m,4H),7.48(d,2H),7.30(d,4H),7.17(d,4H),7.10(d, 2H),7.08(d,2H);MS(EI):m/z(%):434.8.
实施例4 4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酸的合成
将中间产物4-(二(4-(噻吩-2)苯基)氨基)苯甲腈化合物(2.3 g,5.30mmol)溶于无水乙醇(40mL)和25%NaOH溶液(40mL)的混合液中,80℃下反应14h。反应结束后,待反应液冷却至室温,加入3M HCl(75mL)进行酸化,溶液由澄清透明变为黄色絮状悬浊液,抽滤并收集滤饼,用去离子水冲洗后置于60℃下真空干燥24h,得到如(V)所示黄色粉状的中间产物4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基) 苯甲酸化合物2.21g,产率为91.6%。1H NMR(500MHz,CDCl3):δ7.95 (d,2H),7.58(m,4H),7.29(d,4H),7.20(d,4H),7.11(d,2H),7.09(d,2H);MS(EI):m/z(%):454.2。
实施例5 2-溴乙基4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酸酯的合成
将中间产物4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酸化合物 (1g,2.2mmol)、4-DMAP(0.14g,1.1mmol)、EDCI(1.27g,6.6mmol)、 2-溴-1-已醇(0.6g,3.3mmol)溶于DCM(25mL)溶液中,30℃下反应15h。反应结束后,待反应液冷却至室温,加入饱和食盐水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥后,减压浓缩,进行柱层析分离提纯。以300-400目硅胶为固定相,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸馏除去溶剂并干燥,得到如(VI)所示黄色粘液状的中间产物 2-溴已基4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酸酯化合物1.19g,产率为87.8%。1H NMR(500MHz,CDCl3):δ7.93(d,2H),7.57(d,4H), 7.30(d,4H),7.17(d,4H),7.11(d,2H),7.10(d,2H),4.62(t,2H),3.65(t, 2H)(Fig.S1);MS(EI):m/z:562.2.
实施例6 1-(2-(4-(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酰基)氧基已基)-3-甲基-溴酸咪唑的合成
将中间产物2-溴已基4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酸酯化合物(690mg,1.12mmol)、1-甲基咪唑(83.3mg,1.01mmol) 溶于乙腈(15mL)溶液中,70℃下反应32h。反应结束后,待反应液冷却至室温,旋蒸除去乙腈并加入冰乙酸乙酯,过滤所得固液混合物,收集滤饼并置于60℃下真空干燥24h,得到如(VII)所示黄色粘液状的中间产物1-(2-(4-(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酰基)氧基已基)-3-甲基-溴酸咪唑化合物630mg,产率88.9%。1H NMR(500MHz,DMSO):δ9.11(s,1H),7.85(d,2H),7.77(d,1H),7.70 (d,1H),7.68(m,4H),7.55(d,2H),7.49(d,2H),7.17(d,4H),7.15(d,2H), 7.05(d,2H),4.24(t,2H),4.16(t,2H),3.84(s,3H)
实施例7 1-(2-(4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酰基)氧基已基)-3-甲基咪唑四氟硼酸盐的合成
在避光条件下,将中间产物1-(2-(4-(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酰基)氧基已基)-3-甲基-溴酸咪唑化合物(276mg)、四氟硼酸银(109mg)溶于甲醇(20mL)溶液中,室温反应3h。反应结束后,在避光条件下,过滤所得固液混合物,收集滤液并旋蒸除去甲醇,置于60℃下真空干燥24h,得如(VIII)所示橙黄色最终产物1-(2-(4(双(4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酰基)氧基已基)-3-甲基咪唑四氟硼酸盐化合物240mg,产率86.0%。1H NMR(500MHz,DMSO):δ9.11(s,1H),7.85(d,2H),7.77(d,1H),7.70(d,1H),7.68 (m,4H),7.55(d,2H),7.49(d,2H),7.17(d,4H),7.15(d,2H),7.05(d,2H), 4.24(t,2H),4.16(t,2H),3.84(s,3H)
实施例8电化学聚合及性能表征
将0.1mol/L的LiBF4、LiClO4、TBAP分别溶解在乙腈/二氯甲烷体积比7:3的混合溶剂(100mL)中作为空白溶液。将1-(2-(4(双 (4-(噻吩-2-基)苯基)氨基)苯甲酰基)氧基已基)-3-甲基咪唑四氟硼酸盐化合物(2mmol/L)分别溶解在10mL空白溶液中作为单体溶液,使用前超声分散均匀。对单体溶液采用0~1.4V循环伏安聚合,聚合扫速为0.1V/s,电化学聚合分别得到相应的聚离子液体1、聚离子液体2、聚离子液体3。后续所有电化学测试均在空白溶液中进行。
循环伏安、光谱电化学及电致变色测试阶跃电压为0-1.2V,测试结果表明,聚离子液体不同的阴离子对其电致变色性质产生了影响。附图4为聚离子液体1、2、3的光学对比度及响应时间。1100nm下,聚离子液体1的对比度为35%,响应时间为1.49s、0.78s,聚离子液体2的对比度为35%,响应时间为0.88s、0.30s,聚离子液体3的对比度为37%,响应时间为0.82s、0.29s。420nm下,聚离子液体1的对比度为30%,响应时间为2.08s、0.48s,聚离子液体2的对比度为 29%,响应时间为1.63s、0.39s,聚离子液体3的对比度为30%,响应时间为1.66s、0.44s。在相近的光学对比度下,聚离子液体2和聚离子液体3有着更快的响应时间,说明相较于四氟硼酸根离子,高氯酸根离子更能促进材料快速变色。
Claims (9)
2.一种如权利要求1所述的式(I-I)或(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体的制备方法,其特征在于:所述的方法按照如下步骤进行制备:
(1)将式(V)所示的中间产物、4-二甲氨基吡啶溶、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、2-溴-1-已醇溶于二氯甲烷溶液中,于20~40℃下反应12~16h,反应结束后,得到反应液A经后处理,得到式(VI)所示的中间产物;所述式(V)所示的中间产物、4-二甲氨基吡啶溶、1-乙基-(3-二甲基氨基丙基)碳酰二亚胺盐酸盐、2-溴-1-已醇的投料物质的量之比为1:0.5~0.75:2~3:1.5~2;
(2)将式(VI)所示的中间产物、1-甲基咪唑溶于乙腈或二氯甲烷溶液中,于60~80℃下反应30~36h,反应结束后,得到反应液B,经后处理得到式(VII)所示的中间产物;所述式(VI)所示的中间产物、1-甲基咪唑的投料物质的量之比为1:1.25~1.5;
(3)避光条件下,将式(VII)所示的中间产物、四氟硼酸银溶于甲醇溶液中,室温反应3h,反应结束后,得到反应液C,经后处理得到式(VIII)所示的单体;所述式(VII)所示的中间产物、四氟硼酸银的投料物质的量之比为1:1.25~1.5;
(4)将步骤(3)所得式(VIII)所示的化合物作为单体,溶解于体积比7:3的乙腈/二氯甲烷混合溶剂中,以四氟硼酸锂、高氯酸锂或四丁基高氯酸胺为电解质,采用0~1.4V循环伏安聚合,聚合扫速为0.1V/s,电化学聚合得到式(I-I)或(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体;所述的电解质为四氟硼酸锂时,得到的产物为式(I-I)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体,所述的电解质为高氯酸锂或四丁基高氯酸胺时,得到的产物为(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体;所述电解质的用量以乙腈/二氯甲烷混合溶剂的总体积计为0.1mol/L;所述式(VIII)所示的化合物的用量以乙腈/二氯甲烷混合溶剂的总体积计为1~3mmol/L;
3.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述二氯甲烷的体积用量以式(V)所示的中间产物的质量计为20~25mL/g。
4.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(1)中,所述反应液A的后处理方法为:待反应液E冷却至室温,加入水和二氯甲烷进行萃取,收集有机相,经无水硫酸镁干燥,进行柱层析分离途纯,以二氯甲烷/石油醚体积比1:1混合液为流动相进行洗脱,收集含目标化合物的洗脱液,减压蒸除溶剂并干燥,得到式(VI)所示的中间产物。
5.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述乙腈或二氯甲烷的体积用量以式(VI)所示的中间产物的质量计为20~25mL/g。
6.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(2)中,所述反应液B的后处理方法为:待反应液B冷却至室温,旋蒸除去乙腈并加入冰乙酸乙酯,过滤所得固液混合物,收集滤饼并置于60℃下真空干燥24h,得到式(VII)所示的中间产物。
7.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,所述甲醇的体积用量以式(VII)所示的中间产物的质量计为60~75mL/g。
8.如权利要求2所述的制备方法,其特征在于:步骤(3)中,所述反应液C的后处理方法为:避光条件下,将反应液C过滤得固液混合物,收集滤液并旋蒸除去溶剂,置于60℃下真空干燥24h,得到式(VIII)所示的单体。
9.一种如权利要求1所述的如式(I-I)或(I-II)所示的含三苯胺-噻吩结构的聚离子液体应用于制备电致变色材料。
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JPH10226707A (ja) * | 1996-10-03 | 1998-08-25 | Alain Vallee | ポリイオン性ポリマー化合物、その製造方法及び光開始剤としての使用 |
CN106543415A (zh) * | 2016-09-29 | 2017-03-29 | 浙江工业大学 | 基于交叉结构共轭分子的聚合物薄膜及其制备方法与应用 |
CN109096507A (zh) * | 2018-07-09 | 2018-12-28 | 浙江工业大学 | 一种基于咪唑型离子液体修饰的三苯胺类衍生物的材料及其制备方法与应用 |
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2019
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