離子液體的應用研究

桑瀟

【摘要】本文綜述了離子液體在化學反應、催化反應、分離過程、萃取、功能材電化學以及納米材料合成中的應用，并展望了離子液體的應用前景。

【關鍵詞】離子液體 催化 分離 萃取

1、前言

離子液體就是在室溫（或稍高于室溫）下呈液態的僅由離子所組成的液體。離子液體（ionic liquids），又稱“室溫熔融鹽”（Roomtemperature molten Salts），室溫離子液體（Room temperature ionicliquids），也稱液態有機鹽（liquid organic salt）等。離子液體的最早報導可以追溯到20世紀初[1-2]。

作為綠色替代溶劑，離子液體正受到化學界各個方面的關注。它在烷基化、氫化、酉旨化、聚合等反應中的應用和在化學反應及分離技術中所展現的清潔、友好的獨特魅力，使離子液體這一新的綠色溶劑替代技術成為發展清潔合成的重要途徑。離子液體作為電化學過程中的替代溶劑，在電化學中的應用涉及各個方面，如電池、光電池、電解、電鍍等領域。目前離子液體的應用領域主要在：化學反應、催化反應、分離技術、電化學等。

2、離子液體在化學反應中的應用

在有機合成中，以離子液體作為反應的溶劑，首先為化學反應提供了不同于傳統分子溶劑的環境，它可以改變反應的機理，使催化劑的活性、穩定性更好，選擇性、轉化率更高；其次離子液體種類多，選擇的余地大，將催化劑溶于離子液體中，與離子液體一起循環利用，催化劑具有均相催化效率高，多相催化易分離的優點，產物的分離可以用傾析、萃取和蒸餾等方法；再者因離子液體無蒸氣壓，液相溫度范圍寬，使得分離易于進行。近年來，離子液體在有機合[3]成中的應用研究日益受到人們的重視。

3、離子液體在催化反應中的應用

Zhang等討論了離子液體在燃料油中進行氧化脫硫的應用[4]，他們以離子液體[emim]BF4和[bmim]PF6代替傳統溶劑來萃取燃料油中的含硫化合物，同時在離子液體中進行化學氧化以達到脫硫的目的。這種將溶劑萃取和化學氧化兩個除硫步驟“一鍋法”進行的方法，提高了脫硫效率，還避免了使用有機溶劑所造成的污染及安全問題。

鄧友全等人[5]還將離子液體應用于清潔汽油的生產。他們以氯鋁酸離子液體為催化劑，在溫和的反應條件下，通過催化烷基化和異構化較好地降低汽油中烯烴和苯的含量利用非酸性的離子液體作催化合成了汽油添加劑甲基叔丁基醚。寇元等人對功能化酸性離子液體進行了研究用指示劑Hammett測量了AlCl3類離子液體的酸性。在異丁烷/丁烯烷基化反應中應用酸性離子液體避免了生產高辛烷值汽油添加劑時存在的廢酸排放等問題這些都為清潔汽油的生產開辟了一條新的途徑。

4、離子液體在分離過程中的應用

分離提純回收產物一直是合成化學的難題。用水提取分離只適用于親水產物，蒸餾技術也不適宜用于揮發性差的產物，使用有機溶劑又會引起交叉污染。現在全世界每年的有機溶劑消耗達50億美元，對環境及人體健康構成極大威脅。隨著人們環境保護意識的提高，在全世界范圍內對綠色化學的呼聲越來越高，傳統的溶劑提取技術急待改進。因此設計安全的、環境友好的分離技術顯得越來越重要。離子液體具有其獨特的理化性能，非常適合作為分離提純的溶劑。尤其是在液一液提取分離上，離子液體能溶解某些有機化合物、無機化合物和有機金屬化合物，而同大量的有機溶劑不混溶，其本身非常適合作為新的液一液提取的介質。研究發現，非揮發性有機物可用超臨界CO2從離子液體中提取，CO2溶在液體里促進提取，而離子液體并不溶解在CO2中，因此可以回收純凈的產品。最近研究發現離子液體還可用于生物技術中的分離提取，如從發酵液中回收丁醇，蒸餾、全蒸發等方法都不經濟，而離子液體因其不揮發性以及與水的不混溶性非常適合于從發酵液中回收丁醇。

美國Alabama大學的Rogers領導的小組研究了苯的衍生物如甲苯、苯胺、苯甲酸、氯苯等在離子液體相（bmim）PF6與水相中的分配系數，并與其在辛醇一水問的分配進行比較，兩者有對應關系。由于[bmim]PF6不溶于水，不揮發，故蒸餾過程中不損失，可以反復循環使用，它既不污染水相，也不污染大氣，因此稱為綠色U4十溶劑。英國科學家已找到將核廢料溶解于離子液體中的方法，在離子液體中加入氧化劑，可以使鈾由U4+轉變為U6+，使钚由Pu4+轉變為Pu4+而溶解。他們認為用離子液體取代傳統的溶劑如水、煤油和磷酸三丁酯的混合溶劑有可能改善現有的核燃料加工系統。各文獻未涉及把金屬離子從離子液體中分離出來，也許可以電解，因離子液體分解電壓大，一般達4V，因而可使金屬電解析出而離子液體不變。

5、離子液體在電化學中的應用

離子液體完全是由離子構成的，是電化學工作者良好的研究對象，可應用于電解、電鍍、電池、光電池等領域。

離子液體用作電解液的缺點是黏度太高，但只要混人少量有機溶劑就可以大大降低其黏度，并提高其離子電導率，再加上其高沸點、低蒸氣壓、寬闊的電化學穩定電位窗等優點，使其非常適合用于光電化學太陽能電池的電解液。瑞士聯邦技術研究所的Bonh研究用離子液體做太陽電池的電解質，因其蒸氣壓極低，黏度低，導電性高，有較大的電化學窗口，在水和氧存在下有熱穩定性和化學穩定性，耐強酸，研究了一系列正離子[R1 R3 im]+與憎水的負離子形成的離子液體，熔點在-30℃～常溫之間，特別適用于應排除水氣且長期操作的電化學系統。另外高離子導電聚合物可在聚合物銼離子電池、太陽能電池、燃料電池、雙電層電容器等方面得到應用。

6、離子液體在納米材料合成中的應用

1.5.7 納米材料具有特殊的電學、光學、力學、磁學及生物學等特征傳統的合成方法中多用到各種有機溶劑或模板，并且合成條件的要求也比較高。采用離子液體的合成路線的優點：簡便、綠色、高效。

原因：表面張力低（成核率高）；低表面能（溶解能力）、提供憎水基和高導向性的極性（平行或垂直于IL）；高穩定性（高溫非壓力）；無水或者微量水（避免氫氧化物和無定形物產生）；“延長”的氫鍵（超分子溶劑）。缺點是：不適合高溫高壓合成（如碳化物和氮化物的高溫高壓合成）。

7、展望

離子液體，即在室溫或室溫附近溫度下呈液態的、僅由離子構成的物質。它一般是由有機陽離子和無機陰離子所組成。因其熔點低、蒸氣壓小、電化學窗口大、酸性可調及良好的溶解度、黏度、密度等特點巳經或正在有機合成、催化、分離、電化學等領域被廣泛應用，并因其對環境友好吸引了工業的興趣。而且因其綠色環保有望取代傳統有機溶劑。

參考文獻：

[1]Endres F. Ionic liquids：solvents for the electrodeposition ofmetals and semiconductors[J].Chem. physchem.，2002，3（2）：144-154.

[2]李汝雄，王建基.離子液體與相關聚合物電解質研究進展[J].化工新型材料，2002，30（9）：13～16.