離子液體的分類和應(yīng)用

摘"" 要：離子液體由陰陽(yáng)離子組成，陽(yáng)離子和陰離子的選擇極其多樣，且每個(gè)離子的結(jié)構(gòu)、大小、電荷分布等都可以進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)和組合。離子液體的特點(diǎn)是在室溫或接近室溫時(shí)呈液態(tài)，它們通常具有低的蒸氣壓和良好的熱穩(wěn)定性。綜述了離子液體的分類，并對(duì)離子液體在電池、生物催化、新材料制備領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)介紹。其中，在電池領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括在電池儲(chǔ)能裝置、染料敏化太陽(yáng)能電池、燃料電池中的應(yīng)用等；在生物催化領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括在各類酶催化有機(jī)反應(yīng)和脂肪酶催化有機(jī)反應(yīng)中的應(yīng)用等；在新材料制備領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括在電沉積材料制備和傳感器材料制備中的應(yīng)用等。

關(guān) 鍵 詞：離子液體； 分類； 電池； 生物催化； 材料

中圖分類號(hào)：O645.4""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Classification and application of ionic liquids

Abstract： Ionic liquids are composed of cations and anions， and the choice of cations and anions is extremely diverse， and the structure， size，charge distribution of each ion can be designed and combined differently. Ionic liquids are characterized by being liquid at or near room temperature， and they generally have low vapor pressure and good thermal stability. The classification of ionic liquids is reviewed， and the application of ionic liquids in the fields of battery， biocatalysis and new material preparation is introduced in detail. Among them， the application in batteries mainly includes battery energy storage devices， dye-sensitized solar cells， fuel cells and so on. The application in the field of biocatalysis mainly includes the application in the organic reaction catalyzed by various enzymes and the organic reaction catalyzed by lipase. The application in the preparation of new materials mainly includes the application in the preparation of electrodeposition materials and sensor materials.

Key words： ionic liquids; categorize; batteries; biocatalysis; materials

離子液體（ionic liquids，ILs）是由有機(jī)陽(yáng)離子和無(wú)機(jī)/有機(jī)陰離子組成的熔鹽，其熔點(diǎn)低于100℃，常溫下呈液態(tài)，是一類獨(dú)特的流體。離子之間的各種相互作用（如庫(kù)侖力、氫鍵、分子間力）使其具有良好的熱穩(wěn)定性、廣泛的溶解性、高的離子電導(dǎo)率、寬的電化學(xué)電位窗口和極低的揮發(fā)性。離子液體的優(yōu)良理化特性使其在電化學(xué)和電沉積制備納米材料中應(yīng)用尤為廣泛。離子液體作為金屬空氣電池、超級(jí)電容器和燃料電池的電解質(zhì)，可以有效改善傳統(tǒng)電池電解質(zhì)中存在的析氫腐蝕、產(chǎn)生副產(chǎn)物、室溫下不穩(wěn)定及環(huán)境污染等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)離子間作用機(jī)理的研究，能夠系統(tǒng)地設(shè)計(jì)并定制特定功能的離子液體，因而離子液體被稱為“可編程式溶劑”。通過(guò)引入特殊基團(tuán)，離子液體可以被轉(zhuǎn)化為功能性離子液體，其環(huán)保特性使其在多個(gè)行業(yè)中作為生物催化劑得到了廣泛應(yīng)用。鑒于其幾乎不揮發(fā)、優(yōu)異的溶解能力和環(huán)保屬性，離子液體在眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，被譽(yù)為最具前瞻性和可持續(xù)性的綠色溶劑［1］。

1 離子液體的分類

離子液體由陰陽(yáng)離子組成，理論上陰陽(yáng)離子的組合可以達(dá)到幾十萬(wàn)種甚至更多。這是因?yàn)殛?yáng)離子和陰離子的選擇極其多樣，每個(gè)離子的結(jié)構(gòu)、大小、電荷分布等都可以進(jìn)行不同的設(shè)計(jì)和組合。常見(jiàn)的陽(yáng)離子有咪唑類、吡啶類、季銨類、季鏻鹽類、噻唑類等，而陰離子則包括鹵素離子、四氟硼酸根、六氟磷酸根、硫酸氫根、硝酸根、磷酸根、聚膦酸根等各種無(wú)機(jī)和有機(jī)酸根離子，通過(guò)不同類型的陽(yáng)離子與陰離子之間的自由搭配可形成大量獨(dú)特的離子液體，但并非所有離子組合都能形成穩(wěn)定的離子液體。

2 離子液體在電池領(lǐng)域的應(yīng)用

離子液體因其固有的低揮發(fā)性和出色的離子傳輸性能，在電化學(xué)研究中備受矚目。由于這些本質(zhì)特性，離子液體被視為理想的電解質(zhì)候選者，適用于多種能源儲(chǔ)存裝置的研發(fā)，涵蓋范圍包括但不限于電池、光伏電池、燃料電池、熱電化學(xué)電池等。

2.1 離子液體在電池儲(chǔ)能裝置中的應(yīng)用

當(dāng)前，滿足環(huán)境安全標(biāo)準(zhǔn)的電池儲(chǔ)能裝置備受關(guān)注。為提升其質(zhì)量和性能，科研人員已經(jīng)對(duì)多種類型的電池進(jìn)行了深入研究，包括鋰金屬電池、鋰-氧電池、鋁電池、氧化還原液流電池等。由于離子液體獨(dú)特的性質(zhì)，其作為電解質(zhì)在電池體系中的應(yīng)用引起了人們廣泛的研究興趣，尤其是在鋰（鈉）電池中的應(yīng)用。為了促進(jìn)鋰金屬電池性能的提升，研究人員已著手開(kāi)發(fā)含有離子液體的聚合物/無(wú)機(jī)復(fù)合電解質(zhì)。例如，Li等［2］將N-甲基-N-丙基-吡咯烷鎓雙（氟磺酰）亞胺嵌入到混合絡(luò)合物中，所制備出的凝膠聚合物電解質(zhì)不僅呈現(xiàn)優(yōu)秀的電化學(xué)與熱穩(wěn)定性，還具備阻燃特性。Angell等［3］研究了利用N-甲基脲和N-乙基脲與AlCl3形成的混合物作為鋁電池電解質(zhì)的可能性，該電解質(zhì)憑借較低的黏度和較高的內(nèi)在放電電壓，確保了電池的高性能和高效運(yùn)作。

2.2 離子液體在染料敏化太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用

染料敏化太陽(yáng)能電池是一種相對(duì)低成本、輕量化且易于制造的光電器件，其商業(yè)化潛力巨大。這類電池主要由用于光捕獲的染料敏化二氧化鈦透明薄膜、鉑陰極及電解質(zhì)構(gòu)成。離子液體由于其高電導(dǎo)率、電化學(xué)穩(wěn)定性及低蒸氣壓等獨(dú)特性質(zhì)，在染料敏化太陽(yáng)能電池中展現(xiàn)出巨大潛力。Hilmy等［4］引入了一系列由1-乙基-3-甲基咪唑碘化物、1-乙基吡啶碘化物、1-丙基吡啶碘化物和1-丁基吡啶碘化物組成的共晶離子液體混合物作為染料敏化太陽(yáng)能電池的電解質(zhì)，并對(duì)其物理化學(xué)性質(zhì)及離子電導(dǎo)率進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果顯示了這些離子液體在該領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值。Tan等［5］制備了一系列含有不同濃度1-甲基-3-丙基咪唑碘化物的凝膠聚合物電解質(zhì)，并由其組裝成了性能優(yōu)良的染料敏化太陽(yáng)能電池。

2.3 離子液體在燃料電池中的應(yīng)用

隨著化石燃料的枯竭和非可再生能源資源危機(jī)的加劇，尋求可持續(xù)且清潔的電力生成方式成為人們的迫切需求。質(zhì)子傳導(dǎo)膜燃料電池通過(guò)氫和氧電化學(xué)反應(yīng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，在交通與建筑等領(lǐng)域展示出巨大的應(yīng)用潛力。Zanchet等［6］利用3種質(zhì)子型離子液體——3-三乙胺基丙烷磺酸四氟硼酸鹽、3-三乙胺基丙烷磺酸硫酸氫鹽和3-三乙胺基丙烷磺酸三氟甲磺酸鹽，制備出了質(zhì)子傳導(dǎo)/離子液體復(fù)合膜，從而提高了電池的導(dǎo)電性和熱穩(wěn)定性。Trindade等［7］向咪唑基離子液體中摻雜了磺化聚醚醚酮膜，使電流密度和功率均得到顯著提高。Vázquez-Fernández等［8］采用質(zhì)子型離子液體——雙（2-乙基己基）銨磷酸氫鹽和咪唑己酸，在10%至50%的質(zhì)量濃度范圍內(nèi)對(duì)聚偏氟乙烯膜進(jìn)行改性，有效提升了這些膜的熱穩(wěn)定性、質(zhì)子導(dǎo)電性和機(jī)械性能。

3 離子液體在生物催化領(lǐng)域的應(yīng)用

3.1 離子液體在各類酶催化有機(jī)反應(yīng)中的應(yīng)用

離子液體作為一種公認(rèn)適用于生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的高效反應(yīng)介質(zhì)，在各類酶催化的有機(jī)合成反應(yīng)中扮演著關(guān)鍵角色，如水解酶與氧化還原酶在內(nèi)的多種酶系反應(yīng)均可受益于離子液體作為溶劑或輔助溶劑的作用［9］。這一系列生物催化過(guò)程涵蓋了多個(gè)酶類別所驅(qū)動(dòng)的反應(yīng)類型，如氧化酶在脂質(zhì)體系內(nèi)的氧化反應(yīng)，細(xì)胞色素參與的代謝轉(zhuǎn)換，微生物主導(dǎo)的水合作用，以及纖維素酶介導(dǎo)的多糖水解反應(yīng)等。此外，還涉及氟化酶及鹵代烴脫氫酶在ILs中執(zhí)行的鹵化反應(yīng)、螢光素酶實(shí)現(xiàn)的生物發(fā)光反應(yīng)等［10］?？傊x子液體在上述眾多的有機(jī)合成反應(yīng)中得到了有效的運(yùn)用。

3.2 離子液體在脂肪酶催化有機(jī)反應(yīng)中的應(yīng)用

作為一種廣泛應(yīng)用的水解酶，脂肪酶具備催化多種反應(yīng)的能力，如水解、酯交換、醇解、酸解、酯化及氨解反應(yīng)等，在合成領(lǐng)域占據(jù)顯著地位。Zhao等［11］采用含烷基醚基團(tuán)的離子液體進(jìn)行脂肪酶催化生產(chǎn)生物柴油。Arai等［10］進(jìn)一步驗(yàn)證了以真菌全細(xì)胞生物催化劑在離子液體中生產(chǎn)生物柴油的可能性，并通過(guò)戊二醛交聯(lián)大大提升了生物催化劑的穩(wěn)定性。Park等［12］研究了ILs體系中在葡萄糖衍生物區(qū)域進(jìn)行選擇性乙?；姆磻?yīng)，發(fā)現(xiàn)與四氫呋喃相比，離子液體能實(shí)現(xiàn)高度區(qū)域選擇乙酰化。Kim等［13］通過(guò)將ILs作為溶劑，成功調(diào)控了脂肪酶催化乙?；磻?yīng)的區(qū)域選擇性。Wang等［14］在超聲輻射的條件下，采用醋酸乙烯酯作為?；噭?，利用脂肪酶催化的酯交換反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高度區(qū)域選擇性?；?。

4 離子液體在新材料制備領(lǐng)域的應(yīng)用

離子液體具有蒸氣壓低、電導(dǎo)率高、電位窗口寬等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于生產(chǎn)金屬、合金、半導(dǎo)體材料、導(dǎo)電聚合物和其他一些在水電解質(zhì)中難以制備的材料。

4.1 離子液體在電沉積制備材料中的應(yīng)用

在電沉積中使用離子液體的主要優(yōu)點(diǎn)是電化學(xué)過(guò)程在相對(duì)較低的溫度下進(jìn)行。因此，與高溫電化學(xué)工藝相比，它可以消除產(chǎn)品中的熱應(yīng)力。Jiang等［15］研究了AlCl3基離子液體中金屬和合金的電沉積。Liu等［16］研究了稀土金屬及其合金薄膜在不同離子液體中的室溫電沉積。Thomas等［17］研究了鑭和鏑在離子液體中的電沉積。An等［18］采用電化學(xué)方法研究了鏑和鋱?jiān)?-乙基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽離子液體中的電沉積過(guò)程及在離子液體中電沉積鏑和鋱的能力，并討論了溫度、電池電壓和電解液組成等工藝變量對(duì)電流效率和鏑、鋱組成的影響。

4.2 離子液體在傳感器中的應(yīng)用

由于離子液體在特定條件下能夠調(diào)控其物理化學(xué)和生物參數(shù)，故其在氣體傳感器、化學(xué)傳感器、生物傳感器、濕度傳感器等多種傳感裝置中得到廣泛應(yīng)用。Zhao等［19］制備了一種疏水性離子液體-聚合物復(fù)合材料，該材料由 1-乙基-3-甲基咪唑雙亞胺和聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物組成。這種柔性復(fù)合材料對(duì)濕度響應(yīng)速度快、線性好且靈敏度高。Yu等［20］合成了摻雜石墨烯氧化物的金屬氧化物，并與1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽混合，形成的復(fù)合材料可在氣體傳感應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)越性能。Chen等［21］構(gòu)建了一系列層次交叉連接的疏水性離子凝膠，該凝膠包含了聚偏氟乙烯-六氟丙烯和1-烷基-3-甲基咪唑雙亞胺，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)出可靠的傳感性能。

5 總結(jié)和展望

離子液體具有許多優(yōu)良的特性，如蒸氣壓低、熱穩(wěn)定性高、易燃性低、導(dǎo)電性高、電化學(xué)窗口寬和溶劑性質(zhì)可調(diào)等。離子液體的低揮發(fā)性和出色的離子傳輸性能使其在電池領(lǐng)域中的應(yīng)用備受矚目；離子液體作為一種公認(rèn)的適用于生物轉(zhuǎn)化過(guò)程的高效反應(yīng)介質(zhì)，在各類酶催化的有機(jī)合成反應(yīng)中扮演著關(guān)鍵角色；離子液體設(shè)計(jì)的靈活性和離子特性也使其在電沉積制備材料和傳感器等新材料制備領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。

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