离子液体及其应用

离子液体及其应用离子液体是指在室温或接近室温下呈现液态的、完全由阴阳离子所组成的盐，也称为低温熔融盐。可制成离子液体 /聚合物电解质，作为双电层器和电池的电解质。如高温下的KCI,KOH呈液体状态，此时它们就是离子液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质， 称为室温离子液体、室温熔融盐、有机离子液体等，目前尚无统一的名称，但倾向于简称离子液体。在离子化合物中，阴阳离子之间的作用力为库仑力，其大小与阴阳离子的电荷数量及半径有关，离子半径越大，它们之间的作用力越小，这种离子化合物的熔点就越低。某些离子化合物的阴阳离子体积很大，结构松散，导致它们之间的作用力较低，以至于熔点接近室温。离子液体种类繁多，改变阳离子、阴离子的不同组合，可以设计合成出不同的离子液体。离子液体的合成大体上有两种基本方法：直接合成法和两步合成法。直接合成法是指通过酸碱中和反应或季胺化反应等一步合成离子液体，操作经济简便，没有副产物，产品易纯化。直接法难以得到目标离子液体，必须使用两步合成法。两步法制备离子液体的应用很多。常用的四氟硼酸盐和六氟磷酸盐类离子液体的制备通常采用两步法。首先，通过季胺化反应制备出含目标阳离子的卤盐；然后用目标阴离子置换出卤素离子或加入Lewis酸来得到目标离子液体。在第二步反应中，使用金属盐MY（常用的是AgY），HY或NH4Y时，产生Ag盐沉淀或胺盐、HX气体容易被除去，加入强质子酸HY,反应要求在低温搅拌条件下进行，然后多次水洗至中性，用有机溶剂提取离子液体，最后真空除去有机溶剂得到纯净的离子液体。近年来,离子液体作为一类新型的绿色介质，引起全球学术界和工业界的高度重视。离子液体的特点也越来越多的为大家所熟知。不挥发、不可燃、导电性强、 室温下离子液体的粘度很大（通常比传统的有机溶剂高 1~3个数量级，离子液体内部的范德华力与氢键的相互作用决定其粘度。）、热容大、蒸汽压小、性质稳定，对许多无机盐和有机物有良好的溶解性。在与传统有机溶剂和电解质相比时，离子液体具有一系列突出的优点：（ 1）液态范围宽，从低于或接近室温到 300摄氏度以上，有高的热稳定性和化学稳定性；（2）蒸汽压非常小，不挥发，在使用、储藏中不会蒸发散失，可以循环使用，消除了挥发性有机化合物（VOCs即volativeorganiccompounds）环境污染问题，（3）电导率高，电化学窗口大，可作为许多物质电化学研究的电解液；（ 4）通过阴阳离子的设计可调节其对无机物、水、有机物及聚合物的溶解性，并且其酸度可调至超酸。（ 5）具有较大的极性可调控性，粘度低，密度大，可以形成二相或多相体系，适合作分离溶剂或构成反应一分离耦合新体系；（ 6）对大量无机和有机物质都表现处良好的溶解能力，且具有溶剂和催化剂的双重功能，可以作为许多化学反应溶剂或催化活性载体。由于离子液体的这些特殊性质和表现，它被认为与超临界CO2和双水相一起构成三大绿色溶剂，具有广阔的应用前景。由于具有独特的物理化学性质而成为一种新型的绿色介质,近年来成为国际上研究的前沿和热点。它为开发新型绿色工艺 ,实现将传统重污染、高能耗工业过程的升级换代提供了新机遇。离子液体在催化科学、电化学、材料科学、环境科学和分离技术等领域将会有广泛的应用,离子液体以其优越的特点在很多科学领域大展拳脚。其应用如下。离子液体改变了载体模板的概念。以离子液体为“载体”实现多相催化剂的液相化近年来受到高度重视．热点之一就是担载金属催化剂向可溶性纳米粒子催化剂方向的发展。此前很多年，人们利用有机溶剂获得的可溶性纳米粒子为催化剂。已经在催化加氢等反应中获得过很好的结果。在担载催化剂中，分散度极高的催化剂尽管活性好但寿命很差。相比较而言，在离子液体中控制分散度和纳米粒子粒径要比在载体表面容易，因为离子液体可设计可调变，保护纳米粒子的稳定剂同样也可设计可调变。ZhaoC,WangHZYahNO研等人采用“似离子液体(ionicliquid—like)”的概念设计的PVP改性的稳定剂，结果一经发表即被“美国化学与工程新闻(C&ENews)”在“科技聚焦”栏目下进行专文报道。称“中国化学家报道了一例具有超常寿命和活性的铑纳米催化剂”，催化剂的总转化数经5次循环达到20，000。高出此前纳米簇苯加氢记录5倍多。有意思的是，有确切证据表明离子液体对某些反应，如邻氯硝基苯的加氢反应有促进作用。WilliamG1]等人使用离子液体合成2一苯磺基一嘧啶及相关衍生物，达到绿色可循环的工艺。离子液体促进了液相反应的研究。离子液体研究促进了液相反应的研究。液相催化反应包括金属有机化合物主导的均相催化和金属纳米粒子主导的多相催化。实验上鉴定这两个不同反应体系的方法就是苯中毒实验。早在离子液体引起重视之前，在有机溶剂中通过引入纳米粒子实现多相催化就有了很多研究。离子液体的出现．因其绿色的特点。又因其通过结构调变具有实现产物自动分相的潜力，遂使这一领域重新焕发了生机。我们现在提到的离子液体促进了液相反应的研究是指的另外一种效应，即因离子液体重新审视水相或其他可以在液相中直接实现的反应。水应该是比离子液体更加绿色的介质，但长期以来人们对水相反应重视不够，近年多见于报道的还是将有机合成反应移用于水相以实现绿色化圈。F-T合成是后石油时代最重要的能源化学反应之一。通过F-T合成，人们可以从煤和天然气出发获得油品，其工业潜力随油价飞涨与日俱增。目前，工业上通常采用浆态床反应器，以固相的铁或钻为催化剂，反应温度约在 250~C上下。合成气压力一般需要3MPa有必要指出的是，F—T合成经80年的研究开发，现行工业路线也有了近50年的历史。但其催化剂和反应化学、反应工程的设计原理却始终没有改变。从绿色化学和化工的角度看．无论是在低温低压下实现F-T合成，还是从化学原理上避免反应效率低，浆态床反应器都存在易阻塞等缺陷，其意义都十分重要。离子液体推动了相分离技术的进步。离子液体在分离科学中的应用获得了较高的重视。应该注意到的是，“相”这个概念对离子液体而言是有别于水或有机溶剂的。当离子液体的阳离子得失一个电子以及在室温和低温间变换时，离子液体的相行为都会发生变化。伴随这些变化的不仅仅是物理的变化，可能还有化学的变化。正是这样的化学变化一相变化的交织，使离子液体有别于一般意义上的溶剂，因此，可以设计一些非常奇妙的相分离过程。离子液体的出现，因其绿色的特点，人们纷纷就离子液体对气体吸收做了很多研究，利用离子液体结构的可调变性，实现功能化的吸收酸性或碱性气体。但对于中性气体如甲烷的吸收研究进展并不大，因为照常理讲，甲烷是典型的非极性分子，离子液体是典型的极性溶剂。实际上我们发现季铵系列阳离子对甲烷具有很好的溶解能力，这一发现并不奇怪，因为辛烷是很好的甲烷溶剂，所以室温条件下，液态 fN88881Tf2N能吸收甲烷气体形成甲烷一离子液体复合物。巧妙的是，利用离子液体状态随温度的变化，这一溶解过程可复合甲烷气体的固化，实现甲烷气体的存储。[N88881Tf2N的离子液体常温下是液体，降至 0oC,复合物固化，甲烷稳定地存储在固体当中；加热，固化的复合物融化，重新释放出甲烷。在核工业中用作均相反应堆的燃料溶剂和传统介质，在增殖炉、核融合炉、核融合分裂复合炉、加速器以及核燃料的处理、回收过程都有应用。英国核燃料(BritishNuclearFuels ，BNFL)开发一种将核废料溶于离子液体和『bpy]NO,中的方法，在离子液体中加入一种氧化剂，可将不溶的金属转变为可溶的，氧化剂是将U转变为Us.pu4+转化为Pu针。离子液体有可能取代传统的溶剂如水或无臭煤油与磷酸三丁酯混合物。从而改善现有的核燃料加工系统。以离子液体为反应介质可进行多种聚合反应，如配位聚合、电化学聚合、自由基聚合等．优点是反应速率快，分子量分布窄。催化剂和离子液体可回用。而且解决了传统聚合催化剂在有机溶剂中的溶解性问题，实现了聚合反应的“绿色化9y0Pettier等报道了离子液体中的可逆加成一断裂链转移活性自由基聚合，发现丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯的聚合得到相对分子质量与理论值接近的聚合物，甲基丙烯酸甲酯的聚合遵循聚合动力学且相对分子质量随转化率呈线性增长，表现为活性聚合阎。虽然离子液体具有优良特性，其运用前景十分广阔，但是由于对于离子液体的研究还处在实验室研究阶段，其运用也面临着一系列的急需解决的问题。目前对于离子液体的研究中主要面临的问题是：(1)如何有效降低离子液体的合成成本。据估算，目前离子液体的合成成本约是普通溶剂合成的 2—4倍甚至更多，因而如何采取有效的方法降低离子液体的生产成本是其广泛应用和发展所面临的首要问题。选用适当的溶剂和适当的合成方法是降低离子液体的合成成本的最有效方法。(2)离子液体大量的物理性质，比如相转移粘度、密度等比较缺乏，人们很少知道这