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离子液体(ionic liquid)(一)

2020-07-27 来源:U迈生活   |   浏览(689)


离子液体(IL)为一种液态的盐类,在 1970 年代电化学教科书中探讨的离子液体,其範围从硷金族的硅酸盐及卤化物到四级铵盐都有,现今离子液体主要是指熔点低于 $$100^\circ C$$ 的盐类物质,以便与过去所称的高温熔融态离子化合物做区隔。

常温常压下的液态物质如水或汽油等,是由分子化合物组成,而离子液体则是由离子或短暂存在(short-lived)的离子对所构成。因此离子液体有许多不同的称呼,如:液体电解质(liquid electrolytes)、离子性熔融物(ionic melts)、离子性流体(ionic fluids)、融合盐(fused salts)、液态盐(liquid salts)或离子玻璃(ionic glasses)等。

离子液体最重要的特徵有二,其一是它的低蒸气压,相较于易挥发的有机溶剂,它对环境的危害相对较低;其二是它的比电导率(specific conductivity)中等,通常与水溶液态的电解质相近。这类的系统可作为有机反应中优良的溶剂与催化剂,以及应用在如电化学沉积(electrodeposition)等简单的程序。我们也可应用离子液体在其所处环境成液态及低蒸气压的特性,将其作为电池的密封剂(sealants)。

任何盐类熔化后若未分解或蒸发,通常就能产生离子液体。以氯化钠为例,其温度在 $$801^\circ C$$ 时变成液态,此状态时液体中含有大量的钠离子与氯离子,相反地,当离子液体降温后常形成结晶状(crystalline)或玻璃态(glassy)的离子固体。

离子键的强度通常比凡得瓦力大很多,因此大部份的盐类只能在高温时才呈现液体状态,有些则是在室温或室温以下呈液态,如:1-乙基-3 -甲基-咪唑氰胺(1-Ethyl-3-methylimidazolium dicyanamide),$$\bf{(C_2H_5)(CH_3)C_3H_3{N_2}^+\cdot N(CN{)_2}^-}$$ 熔点为 $$-21^\circ C$$,而1-butyl-3,5-dimethylpyridinium bromide 熔点为 $$-24^\circ C$$。

低温离子液体(low-temperature ionic liquids)不同于离子性溶液(ionic solutions),后者是液体中同时含有离子与中性分子。此外离子液体也与所谓深共熔溶剂(deepeutectic solvent,DES) 不同,后者是离子性与非离子性固态物质的混合物,其熔点比纯物质低得多,例如某些硝酸盐的混合物其熔点可低于 $$100^\circ C$$。

常见的离子液体 $$\bf{[BMIM]PF_6}$$(1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate )的化学结构如图一所示:

离子液体(ionic liquid)(一)

图一

历史

1914 年 Paul Walden 就已合成出常温离子液体ethylammonium nitrate $$\bf{(C_2H_5)N{H_3}^+\cdot N{O_3}^-}$$,熔点为 $$12^\circ C$$。

到了 1970 及 1980 年代,电池中的电解质开始应用结合烷基咪唑(imidazolium)阳离子或吡啶(pyridinium)阳离子,以及卤素离子或四卤化铝阴离子构成的离子液体。四卤化铝烷基咪唑盐类之主要特徵是,其物理性质,如:黏滞性、熔点及酸性(acidity)等,可以藉由改变烷基、咪唑/吡啶与卤素离子/四卤化铝离子的比例来调整。

到了 1992 年,Wikes 与 Zawarotko 製得中性的弱配位共价阴离子,例如 $$\bf{P{F_6}^-}$$ 以及 $$\bf{B{F_4}^-}$$,带来更广泛的应用。

近来则发展出一系列在空气及湿气中安定的、中性离子液体。相关的研究则从六氟化磷盐类及四氟化硼盐类转移到毒性较低的替代物,例如:bistriflimide $$\bf{[(CF_3SO_2)_2N]^-}$$。寻找较低毒性的阳离子也不断进展,像是铵盐类的化合物可当作鹰架(scaffold),其弹性与咪唑相当。

连结:离子液体(ionic liquid)(二)

参考资料:

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