离子液体的课件.ppt

1、离子液体的合成及其应用,内容简介,* 离子液体及其性质 *离子液体的合成 * 离子液体的应用 * 展望,离子液体,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。 按酸碱性不同可分： 酸性离子液体 中性离子液体 碱性离子液体,无机盐和离子液体的熔点,离子液体的组成,离子液体主要是由有机阳离和无机阴离子构成 阳离子：烷基季铵离子NRxH4-x、烷基季磷离子PRxH4-x、1，3-烷基取代的咪唑离子R1R3Im+ 和N-基取代的吡啶离子Rpy 阴离子：主要是BF4-、PF6-、NO3-、CF3SO3-、HSO4-、AlCl4- 等体积较大的阴离,*1914年

2、Walden 等报道了第一个在室温下呈液态的有机盐-硝酸乙基胺（EtNH3NO3），其熔点为12 * 1948年 Hurley 和Wier 开创了第一代的离子液体，即氯铝酸N烷基吡啶盐离子液体 ，具有较高的电导性 * 20世纪70年代 Osteryoung等对四烷基胺正离子和四氯化铝负离子的离子液体进行应用上的系统研究 * 1992年 Wilkes 等合成了第一个对水和空气都稳定的离子液体EMIMBF4 *进入21世纪 吡啶类、吡咯类、季磷类、多胺类 甚至双咪唑类阳离子等相继被报道，极大地扩展了离子液体在反应、分离及材料等领域的应用,离子液体发展过程,三个历史阶段,三氯化铝体系（20世纪90年

3、代以前） 新型耐水体系（20世纪90年代） 功能化体系（21世纪）,离子液体发展,离子液体的特点,* 蒸汽压非常小，不易挥发，不易燃，不易爆，毒性小 * 熔点低，液态范围宽，化学和热稳定性好 * 溶解性很好，能溶解许多有机物 * 导电性好，电化学窗口宽 * 价格便宜，容易制备且后处理简单能循环使用 * 具有较大的极性可调控性，粘度低，密度大,离子液体的运用,离子液体在电化学的应用 在化学反应中的应用 离子液体在分离中的应用 气体吸附的应用,离子液体在电化学的应用,1、在电池技术方面的应用 2、在电合成方面的应用 3、在电镀/电沉积方面的应用 4、在电化学电容器方面的应用 5、在抗静电方面的应用

4、 6、在传感器方面的应用 7、在毛细管电泳方面的应用,在电池技术方面的应用,化学电源的开发是绿色化学中的重要课题，高能量、长寿命、低污染已成为判别化学电源是否可行的根本依据。离子液体的高离子电导率、宽电势窗口、无明显蒸汽压，不挥发和电化学稳定的独特优势使其作为电解质在锂电池和太阳能电池的应用方面显示了诱人的前景。,在电合成方面的应用,一、性质稳定，溶解性好，可重复使用 二、能促进反应的进行 三、目标产物的选择性好，收率高 邓友全等于室温、常压、无催化剂条件下，在bmimBF4、bpyBF4、bmimPF6离子液体中电化学活化CO2，与环氧化合物反应，合成了环状碳酸酯。反应后通过蒸馏将离子液体从

5、反应混合物中分离，离子液体重复使用5次后催化活性还未见明显降。,在电镀/电沉积方面的应用,对电沉积而言, 离子液体兼备了高温熔盐和水溶液的优点: 具有较宽的电化学窗口, 在室温下即可得到在高温熔盐中电沉积才能得到的金属和合金, 但没有高温熔盐那样的强腐蚀性;同时, 在离子液体中还可电沉积得到大多数能在水溶液中得到的金属, 但没有副反应, 因而得到的金属质量更好。研究人员已对铜、锌、铁、镉、金、银钯等金属和半导体元素的沉积进行了研究。,在电化学电容器方面的应用,电化学电容器不依赖化学反应，而是利用电极/电解质界面的双电层快速充放电原理，用比表面高的多孔电极能贮存较多的电能，它主要用浸渍导电聚合物

6、的各种类型的碳材料和金属氧化物作F/g电极材料，用水溶液、非水溶液和固体聚合物作电介质。非水溶液在电容器中的使用是广为人知的，它能得到宽的电化学窗口，从而增加电容器的能量密度。以中性的离子液体作电介质的双层电容器已见报道，离子液体采用EMIC/AlCl3中性溶液，电极选用高比表面的碳材料，电压大于3V，电容值1.7F(或1.3/g)，能量密度约1.8Wh/kg。,在抗静电方面的应用,将枫树和松树的表皮分别浸润或涂刷上bmimBF4、bmimPF6、bmimC1、emimBF4和emimPF6离子液体，研究发现经离子液体处理过的木材表面电阻和体积电阻都符合ASTM标准，且这些离子液体都可以作为枫

7、树和松树有效的抗静电剂，并发现松树比枫树有更低的电阻和更高的抗静电能力。,在传感器方面的应用,瑞士一公司利用离子液体吸水后电导增加的原理，开发了一种空气湿度传感器，这种基于离子液体为敏感单元的湿度传感器与已有的基于聚合物膜为敏感单元的湿度传感器相比，具有更快的响应时间和更强的抗干扰能力。,在毛细管电泳方面的应用,毛细管电泳作为很好的电化学分离手段广泛用于金属离子、药物、蛋白质等的分离和检测，但由于其硅管壁带负电荷，能够吸附正离子和生物大分子的正电荷部分，严重影响了其分离效果。将离子液体通过共价键键合在毛细管表面，通过静电排斥作用减少吸附量，减少电渗流，还可以使毛细管的电渗流逆向、迁移速度随pH

8、值的减少而增加，分离效率和重现性都很好。,* 根据工业需要，定向设计合成具有独特性能的离子液体. * 完善离子液体的热力学数据、动力学数据以及相应的热动力学模型 * 完善离子液体的物性和结构方面的参数 * 要解决有关离子液体的传质、传热规律等关键问题,展望,离子液体的合成,按合成原理分类 按合成步骤分类,按合成原理分类,按照其合成的原理可以分为季铵化反应法、复分解反应法、酸碱中和法。 季铵化反应法 较早期的离子液体,均是由卤化季铵盐和卤化铝,按照一定的比例简单地混合而成。其中离子液体的酸碱性通过控制卤化铝的用量来调节。如离子液体bminCl的合成为: bminCl +AlCl3bminCl-A

9、lCl3 复分解反应法 如离子液体emimBF4的合成为： eminCl +NH4BF4eminBF4+NH4Cl 酸碱中和法 如离子液体emimPF6的合成为: eminCl +HPF6(aq) HCl + eminPF6,按合成步骤分类,按照离子液体合成的步骤可以分为： 直接合成法 两步合成法 外场强化法 微反应器法,直接合成法,就是通过酸碱中和反应或季铵化反应一步合成离子液体,操作经济简便,没有副产物,产品易纯化。具体制备过程是:中和反应后真空除去多余的水,为了确保离子液体的纯净,再将其溶解在乙腈或四氢呋喃等有机溶剂中,用活性炭处理,最后真空除去有机溶剂得到产物离子液体。另外通过季铵化反

10、应也可以一步制备出多种离子液体。,两步合成法,如果直接法难以得到目标离子液体,就必须使用两步合成法。首先通过季铵化反应制备出含目标阳离子的卤盐,然后用目标阴离子Y-置换出X-或加入Lewis酸MXy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或NH4Y)产生AgX沉淀或NH3、HX气体而容易除去;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液体。应特别注意的是,在用目标阴离子(Y-)交换阴离子(X-)的过程中,必须尽可能地使反应进行完全,确保没有X-阴离子留在目标离子液体中,因为离子液体的纯度对

11、于其应用和物理学特性的表征至关重要。高纯度二元离子液体的合成通常是在离子交换器中利用离子交换树通过阴离子交换来制备。,外场强化法,外场强化法主要为微波法和超声波法。 微波法:是通过极性分子在快速变化的电磁场中不断改变方向而引起分子的摩擦发热，属于体相加热。微波法加热升温速度较快，可极大地提高反应速率(有些反应只需几分钟)，甚至提高产率和纯度。 超声波法:超声波借助于超声空化作用能够在液体内部形成局部的高温高压微环境，并且超声波的振动搅拌作用可以极大地提高反应速率，尤其是非均相化学反应。,微反应器法,微反应器法一般是指在一个内部尺寸为几微米到几百微米的小型微反应器内进行的反应。微反应器不但具有所

12、需空间小、质量和能量消耗少以及反应时间短的优点，而且能够显著提高产物的产率与选择性以及传质传热效率。,在化学反应中的应用,离子液体作溶剂进行有机合成反应是近年来的新兴研究领域之一。以离子液体作反应系统的溶剂有如下一些优点：首先，为化学反应提供了不同于传统分子溶剂的环境，可改变反应机理，使催化剂活性、稳定性更好，转化率、选择性更高；其次，离子液体种类多，选择余地大；再次，将催化剂溶于离子液体中，与离子液体一起循环利用，催化剂兼有均相催化效率高、多相催化易分离的优点；最后，产物的分离可用倾析、苯取、蒸馏等方法，因离子液体无蒸气压，液相温度范围宽，使分离易于进行。,离子液体在分离中的应用,分离提纯是化学反应的重要应用内容。采用水为溶剂分离提纯制适用于溶于水的物质；采用蒸馏技术只适用于蒸汽压大的物质；采用有机溶剂（例如萃取）又会造成严重的环境污染。离子液体具有独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂，尤其是在液液提取分离上，离子液体能溶解某些有机化合物、无机化合物和有机金属化合物，而同