離子液體的性質(zhì)和應(yīng)用研究

劉 銘，楊 柳，蘇桂田*，田 鵬，張洪波

(1.沈陽師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院 能源與環(huán)境催化研究所，遼寧 沈陽 110034； 2.沈陽師范大學(xué) 實(shí)驗(yàn)中心，遼寧 沈陽 110034)

離子液體的研究是當(dāng)今科學(xué)研究的熱點(diǎn)。離子液體得以迅速發(fā)展與其綠色環(huán)保的理念不可分割。離子液體為綠色化學(xué)帶來了歷史性的轉(zhuǎn)機(jī)和希望。在這樣的歷史基礎(chǔ)下，離子液體在理論基礎(chǔ)和應(yīng)用實(shí)踐方面都有卓越的成就。離子液體因其環(huán)保并且具有很有優(yōu)良的特性，有有機(jī)溶劑很好的替代品。故其擁有十分廣泛并有很好的前景。目前，離子液體已經(jīng)應(yīng)用于合成、催化、電化學(xué)、分離和分析方面[1]，并日益得到重視。離子液體的很多特性優(yōu)于其他物質(zhì)，因此離子液體有非常廣泛的潛在使用價(jià)值，離子液體應(yīng)用于綠色化學(xué)領(lǐng)域，隨著科技的發(fā)展，離子液體將有更多的用武之地應(yīng)用也更為廣泛。目前由于人們對(duì)環(huán)境問題的重視，使得離子液體在國(guó)際科學(xué)前沿也成為了研究的熱點(diǎn)，美國(guó)日本等多個(gè)多家已經(jīng)把離子液體的研究和應(yīng)用列為重點(diǎn)研究項(xiàng)目。

1 離子液體的性質(zhì)

化工污染是化學(xué)工業(yè)所面臨的巨大問題，離子液體的出現(xiàn)給化工發(fā)展帶來了綠色的希望。離子液體無毒無污染，在很多方面優(yōu)越于傳統(tǒng)溶劑和電解質(zhì)。離子液體作為一種新型的綠色溶劑擁有很多優(yōu)良的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)。

1.1 離子液體的熱穩(wěn)定性

離子液體在水中和空氣中均具有良好的熱穩(wěn)定性。在通常狀況下，離子液體幾乎沒有蒸汽壓。因此離子液體也幾乎沒有揮發(fā)性，在實(shí)驗(yàn)過程中，溶劑的揮發(fā)損失也幾乎為零。這是離子液體與傳統(tǒng)溶劑相比很不同的，這是離子液體的優(yōu)越性，但同時(shí)也帶來了挑戰(zhàn)。因?yàn)閭鹘y(tǒng)溶劑通常使用減壓、蒸餾的方法就可以進(jìn)行純化，但由于離子液體的蒸汽壓幾乎沒有，而又不具備揮發(fā)性，這也導(dǎo)致，離子液體的純化成為難題。因此，對(duì)離子液體熱穩(wěn)定性的研究也相繼展開，還有更多的新視角等待我們研究探索。

1.2 離子液體的密度

離子液體的密度受溫度，壓強(qiáng)和陰陽離子的變化也會(huì)有所不同。離子液體的密度通常比水大。一般來說離子液體的密度在1.1～1.6 g/cm3范圍內(nèi)。離子液體的密度隨溫度變化而改變，兩者有較好的線性關(guān)系。離子液體的密度也受其所在環(huán)境的壓強(qiáng)的影響。壓強(qiáng)不同，離子液體的密度也有所不同。陰離子對(duì)其密度的影響大于陽離子的影響作用，離子液體的密度和陰離子的大小呈正相關(guān)[2]。

離子液體的密度計(jì)算公式為：

其中M1、M2為比重瓶的質(zhì)量；M1'、M2'為比重瓶?jī)?nèi)盛離子液體后的質(zhì)量。由于離子液體的密度隨著溫度的變化而不同，故使用低溫恒溫槽，改變溫度，測(cè)量不同溫度下的離子液體的密度。通常對(duì)離子液體的密度和溫度做擬合，得到其線性關(guān)系。

1.3 離子液體的表面張力

表面張力是研究液體性質(zhì)的重要的依據(jù)。表面張力的大小，與離子液體所處的環(huán)境溫度以及離子液體的碳鏈長(zhǎng)度有關(guān)系。離子液體的表面張力和溫度呈現(xiàn)近似反比關(guān)系。通過分析對(duì)比碳鏈長(zhǎng)度不同的離子液體，可得知，在同一溫度下，隨著碳鏈的增長(zhǎng)，離子液體的表面張力反而變小。本論文對(duì)離子液體的表面張力與溫度的關(guān)系以及離子液體的表面張力與碳鏈長(zhǎng)度的關(guān)系有進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)和解釋。

表面張力的測(cè)量一般使用表面張力儀和低溫恒溫槽(調(diào)節(jié)控制溫度)的測(cè)量。通常測(cè)量表面張力的同時(shí)需要計(jì)算離子液體的表面熵(斜率)、表面能(截距)及其晶格能，并對(duì)表面張力和溫度進(jìn)行先行擬合、繪圖。以便于分析表面張力和溫度的關(guān)系。

1.4 離子液體的溶解性

離子液體具有強(qiáng)溶解能力[3]。離子液體可以溶解傳統(tǒng)溶劑難以溶解的有機(jī)物分子[4]，如蛋白質(zhì)、DNA[5]，甚至是原油[6]和塑料[7]。

1.5 離子液體的電導(dǎo)率

離子液體的電導(dǎo)率表示離子液體溶液傳送電流的能力，用來衡量其導(dǎo)電能力的大小。電導(dǎo)率的單位是每米毫西門子(mS/m)表示。對(duì)于電導(dǎo)率的研究對(duì)離子液體有重要意義。首先離子液體的電導(dǎo)率和溫度有關(guān)系。當(dāng)溫度升高時(shí)，離子液體中各個(gè)離子運(yùn)動(dòng)加速，離子液體流動(dòng)性隨之增強(qiáng)，離子的活動(dòng)性增強(qiáng)導(dǎo)致離子液體的電導(dǎo)率變大。即離子液體的導(dǎo)電性也與其黏度呈反相關(guān)，當(dāng)溫度升高時(shí)，離子之間相互作用力減小，黏度減小，電導(dǎo)率增大。其次，離子液體的電導(dǎo)率和離子液體的碳鏈長(zhǎng)度有關(guān)系。隨著陽離子碳鏈的增長(zhǎng)，離子液體的電導(dǎo)率反而減小。電導(dǎo)率的大小與離子的活動(dòng)是否活躍有關(guān)系，當(dāng)離子活躍時(shí)，其電導(dǎo)率相對(duì)較大，反之較小。

1.6 離子液體的熔點(diǎn)

離子液體的熔點(diǎn)變化范圍較大，擁有較大的液程，低的大約在-100℃左右，高的可以達(dá)到300℃。陰陽離子的組成不同，對(duì)離子液體的熔點(diǎn)影響也較為顯著。離子液體中陰陽離子的尺寸大小均和離子液體的熔點(diǎn)呈反相關(guān)。離子液體的熔點(diǎn)除了和陰陽離子本身大小有關(guān)之外還和氫鍵、氟原子有關(guān)系。同時(shí)離子液體的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性、電子離域作用對(duì)離子液體的熔點(diǎn)有影響[8]。

1.7 離子液體的極性

離子液體的極性可以影響離子液體參加化學(xué)反應(yīng)的難易程度。改變離子液體的陰陽離子對(duì)離子液體的極性變化有影響。陽離子的變化對(duì)離子液體的極性大小的影響大于陰離子。故通常也可以通過改變陽離子的方法來設(shè)計(jì)需要的離子液體，以滿足對(duì)合成有利的條件。

1.8 離子的電化學(xué)性質(zhì)

離子液體可以導(dǎo)電。離子液體良好的導(dǎo)電能力是其在電化學(xué)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)[9-10]。離子液體的導(dǎo)電性收到其相對(duì)分子質(zhì)量，密度，以及黏度等諸多因素的影響。離子液體與傳統(tǒng)溶劑相比，有較寬的電化學(xué)窗口，電化學(xué)窗口：離子液體發(fā)生氧化反應(yīng)和發(fā)生還原反應(yīng)的電位差值。

2 離子液體的應(yīng)用

離子液體具有清潔環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，在新的綠色技術(shù)開發(fā)上體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)。離子液體可以應(yīng)用到其他的領(lǐng)域，它的發(fā)展空間十分的巨大。離子液體可以應(yīng)用到環(huán)境科學(xué)，材料科學(xué)，工程技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域。近年來，離子液體更是迅速發(fā)展，理論結(jié)合實(shí)踐，已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)開發(fā)的新階段。離子液體在材料制備，電化學(xué)，生物，環(huán)境，催化和分離等多個(gè)方面都有很多貢獻(xiàn)。目前人們都離子液體的認(rèn)識(shí)并不足夠完善，我們?nèi)孕枰巫尾痪氲难芯?，并加?qiáng)對(duì)離子液體研究應(yīng)用的重視。

最近幾年，離子液體的應(yīng)用多數(shù)用于分離提純和化學(xué)反應(yīng)中。離子液體優(yōu)良的物理性質(zhì)，是其能夠應(yīng)用于分離和化學(xué)反應(yīng)工業(yè)中的前提。

3 離子液體的前景展望

離子液體的發(fā)展是給予與挑戰(zhàn)并存的。通過文獻(xiàn)的報(bào)道分析可知，對(duì)離子液體的結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)仍舊處于初級(jí)階段，仍就需要我們的探索研究，而探索離子液體和傳統(tǒng)溶劑的差別會(huì)給我們很多驚喜，離子液體如同一座寶藏等待我們探尋[11]。隨著數(shù)據(jù)的不斷補(bǔ)充完善，研究的范圍也會(huì)慢慢的擴(kuò)大。在未來，離子液體在環(huán)境，化工，生物領(lǐng)域，將得到越來越廣泛的應(yīng)用。相信隨著科學(xué)研究人員的積極參與和近代分析儀器測(cè)量發(fā)放的不斷推進(jìn)，離子液體的研究必將創(chuàng)造出新的輝煌。

離子液體的性質(zhì)可以通過改變其陰陽離子進(jìn)行調(diào)節(jié)。因而也使得離子液體的應(yīng)用十分的廣泛。作為一種新興綠色溶劑，離子液體也有缺點(diǎn)和局限性。正因如此，對(duì)于離子液體的應(yīng)用和開發(fā)是一項(xiàng)需要長(zhǎng)期進(jìn)行的工作[12]。我們目前所認(rèn)識(shí)的還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，離子液體這座寶藏，需要我們更多地努力去開發(fā)，更好的實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)，環(huán)保工業(yè)，保護(hù)我們的環(huán)境，保衛(wèi)我們的地球。

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(本文文獻(xiàn)格式：劉銘，楊柳，蘇桂田，等.離子液體的性質(zhì)和應(yīng)用研究[J].山東化工,2018,47(7):54-55.)