离子液体的应用及其研究前景

离子液体的应用及其研究前景

彭兵

(天津工业大学，天津市300160)

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离子液体(Ionicliquids)～般由体积较大的有机阳离子和无机或有初阴离子构成，其熔点一般低于15a℃。与常规的有机溶剂和电解质相比，离子液体具有许多优良的特点：1)熔点低，液程宽：2)蒸汽压低，不易挥发；3)良好的溶解性能，能够溶解多种无机物和有机物；4)电导率高，电化学窗口宽：5)良好的物理、化学稳定性i

6)可通

过改变阴、阳离子的结构来调节其性能。基于上述优点，离子液体被认为是21世纪绿色清洁工业最理想的反应介质。

1离子液体的应用

离子液体作为一类新型的“绿色溶剂”，在许多领域得到了广泛应用并迅速发展成为研究热点。目前，其应用领域从化学合成和电化学扩展到萃取分离、分析测试、材料科学、环境科学以及核科学等。离子液体的部分应用己经由实验室转移到中试规模的车间，向工业化迈进。

把离子液体作为反应介质是离子液体的主要用途之一。当前化学化工界使用的溶剂大多数为可挥发性有机溶剂，这些有机溶剂存在着有

毒、易挥发、易燃易爆等诸多不安全的因素，无毒无污染合成是有机合成中追求可持续发展的重要目标，开发环保型溶剂是实现这一目标的主要手段之一。离子液体具有—般有机溶剂无法比拟的优越性质，自然成

为开发环保型溶剂的首选。目前，离子液体用作化学反应介质的研究己经发展成为绿色化学的主要分支，在许多化学反应中，离子液体的应用往往能够带来其他分子溶剂和催化剂难以比拟的效果。

离子液体另～大应用在电化学领域。离子液体具有热稳定’陛良好、

不易挥发、不易燃烧、电化学窗口宽及离子导电率高等优点，作为电解

液可以起到溶剂和电解质的双重作用，因此在二次电池、太阳能电池、金属的电沉积以及电有初合成方面有广阔的应用前景。此外，离子液体还可以用于核废料的处理以及作为质谱的基质等等。

离子液体的选择性溶解能力和宽液态范围使其在多种分离过程中

得到了广泛的研究和应用探索，因而被称作液体“分子筛”。通过对离子液体的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，并且其酸度可调节致超酸陛，因此可以通过一定的阴阳离子的组合设计构筑功能化离子液体用于分离过程。目前，离子液体在该领域中

的应用包括：气体吸收、液液萃取分离有机物、分离金属离子、分离共沸物、离子液体与超临界coZ萃取、溶解生物高分子、口膜分离以及离子液体用作色谱固定相等方面已取得了～定的进展。

经过几十年的发展，离子液体的家族在不断地扩大和发展。人们开发了许多新型的功能化离子液体，使离子液体的应用更加广泛。但是

由于缺乏对离子液体微聊结构和宏观|生质之间关系，以及离子液体在反

应和分离中作用机理的深入研究，无法知道阴阳离子对离子液体性质的影响大小，从而也无法知道离子液体是如何在化学反应和萃取分离等过

程中发挥作用的。在许多化学化工过程中，人们通过简单的实验发现加

入离子液体后能够取得很好的效果，但是对于加入哪种离子液体效果可

能更好或者是拥有什么样结构的离子液体才最有效等问题在目前还只能

是通过大量实验后总结经验规律。无法有效的预测离子液体的性质，这

使得离子液体进一步的开发和应用受到很大的。随着化学、物理以

及相关交叉学科的飞速发展，对离子液体性质的研究

法也呈现出了多

层次和多角度的趋势。这些研究法可以分实验法包括×射线单晶衍射分析、波谱技术等量子化学计算法、分子动力学模拟

法等等。目

前研究物质微观结构的最佳法是X射线衍射实验，但是×射线衍射

实验的局限在于只能分析固体物质的晶体结构，液态物质的微观结构则只能根据其晶体结构做出经验性的预测。量化计算和分子动力@--t奠拟是研究离子液体微观结构的两种非常有效的方法，能帮助人们从分子层面上了解离子液体的微观结构。

人们最初应用量子化学计算来研究离子液体，主要是希望能清楚地知道离子液体的结构特征。物质的性质依赖于其结构，由结构可以预测性质，对结构的深入了解可以达至0分子设计的目的。离子液体结构最

大的特征在于其由阴阳离子构成，因此，应用量子化学计算方法研究阴

阳离子之间的相互作用将有助于深入理解离子液体的结构特征，从而为离子液体的分子设计提供理论依据。

离子液体在分离过程中的实际应用还存在一些需要解决的问题，如从过程设计的层面看，尚缺乏相关物性数据、相平衡等热力学数据以及传质数据等：从技术层面看，离子液体有其固有的缺陷，如豁度较常规的分子溶剂高得多，从而使得流体的输送阻力和混合过程的传质阻力急臣Ⅱ增加；从环境保护的层面看，离子液体对生态和环境污染的影响尚待评估。

2离子液体的研究前景

离子液体迅速崛起并受到世界各国的高度重视固然与其特殊的结构与性质有密切的关系，更重要的还应归因于绿色化学的兴起所带来的

历史性机遇以及全球产业结构调整对传统材料和生产过程提出的挑战。在这样—个难得的历史性条件下，人们者l缚}冀离子液体在理论和应用方面的重大突破。然而，即便是已经发展了几个世纪的分子介质体系，人们对各物质在其中的相互作用和运动规律的认识也是有限的。迄今为止，对离子液体这种离子介质，认识还十分粗浅，许多认识还仅限于对某些实验事实的经验性的、常识性的了船，现有的实验数据还相当的缺乏，对化学过程的预测能力也很有限。如同任何新事物—样，离子液体要被大家所广泛地接受和使用，是需要一个发展过程的，需要不断地加

深对离子液体各种性质的深入认识，要“知其然”，更要“知其所以

然”。

离子液体要对整个绿色化学产业产生重要影响，需要从理论和实验上对离子液体有更多地了解，解决如下一些问题：1)离子液体的物性数据缺乏；2)离子液体本身成本高；3)产品分离难；4)离子液体套用难等。离子液体的物理化学性质及其产业化应用研究，构成离子液体未来发展相辅相成的两个方向。研究离子液体特殊性能的内在因素，并为其应用提供理论指导是大家在未来的时间里仍然要继续进行的工

作。

怎样让寓子液体的理论知识、现阶段成果和未来的研究方向更好

的统一，以及理论与实践的结合，让离子液体迅速产业化是一个巨大的课题，希望通过不断的努力能让离子液体的应用迅速的广泛起来，让我

国能在离子液体这一领域走在世界的前沿。

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