離子液體的分類和應用

摘"" 要：離子液體由陰陽離子組成，陽離子和陰離子的選擇極其多樣，且每個離子的結構、大小、電荷分布等都可以進行不同的設計和組合。離子液體的特點是在室溫或接近室溫時呈液態，它們通常具有低的蒸氣壓和良好的熱穩定性。綜述了離子液體的分類，并對離子液體在電池、生物催化、新材料制備領域中的應用進行了詳細介紹。其中，在電池領域的應用主要包括在電池儲能裝置、染料敏化太陽能電池、燃料電池中的應用等；在生物催化領域的應用主要包括在各類酶催化有機反應和脂肪酶催化有機反應中的應用等；在新材料制備領域的應用主要包括在電沉積材料制備和傳感器材料制備中的應用等。

關 鍵 詞：離子液體； 分類； 電池； 生物催化； 材料

中圖分類號：O645.4""" 文獻標志碼：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）是由有機陽離子和無機/有機陰離子組成的熔鹽，其熔點低于100℃，常溫下呈液態，是一類獨特的流體。離子之間的各種相互作用（如庫侖力、氫鍵、分子間力）使其具有良好的熱穩定性、廣泛的溶解性、高的離子電導率、寬的電化學電位窗口和極低的揮發性。離子液體的優良理化特性使其在電化學和電沉積制備納米材料中應用尤為廣泛。離子液體作為金屬空氣電池、超級電容器和燃料電池的電解質，可以有效改善傳統電池電解質中存在的析氫腐蝕、產生副產物、室溫下不穩定及環境污染等問題。通過對離子間作用機理的研究，能夠系統地設計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”。通過引入特殊基團，離子液體可以被轉化為功能性離子液體，其環保特性使其在多個行業中作為生物催化劑得到了廣泛應用。鑒于其幾乎不揮發、優異的溶解能力和環保屬性，離子液體在眾多領域展現出巨大的應用潛力，被譽為最具前瞻性和可持續性的綠色溶劑［1］。

1 離子液體的分類

離子液體由陰陽離子組成，理論上陰陽離子的組合可以達到幾十萬種甚至更多。這是因為陽離子和陰離子的選擇極其多樣，每個離子的結構、大小、電荷分布等都可以進行不同的設計和組合。常見的陽離子有咪唑類、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、聚膦酸根等各種無機和有機酸根離子，通過不同類型的陽離子與陰離子之間的自由搭配可形成大量獨特的離子液體，但并非所有離子組合都能形成穩定的離子液體。

2 離子液體在電池領域的應用

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

2.1 離子液體在電池儲能裝置中的應用

當前，滿足環境安全標準的電池儲能裝置備受關注。為提升其質量和性能，科研人員已經對多種類型的電池進行了深入研究，包括鋰金屬電池、鋰-氧電池、鋁電池、氧化還原液流電池等。由于離子液體獨特的性質，其作為電解質在電池體系中的應用引起了人們廣泛的研究興趣，尤其是在鋰（鈉）電池中的應用。為了促進鋰金屬電池性能的提升，研究人員已著手開發含有離子液體的聚合物/無機復合電解質。例如，Li等［2］將N-甲基-N-丙基-吡咯烷鎓雙（氟磺酰）亞胺嵌入到混合絡合物中，所制備出的凝膠聚合物電解質不僅呈現優秀的電化學與熱穩定性，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的可能性，該電解質憑借較低的黏度和較高的內在放電電壓，確保了電池的高性能和高效運作。

2.2 離子液體在染料敏化太陽能電池中的應用

染料敏化太陽能電池是一種相對低成本、輕量化且易于制造的光電器件，其商業化潛力巨大。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、鉑陰極及電解質構成。離子液體由于其高電導率、電化學穩定性及低蒸氣壓等獨特性質，在染料敏化太陽能電池中展現出巨大潛力。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能電池的電解質，并對其物理化學性質及離子電導率進行了評估，結果顯示了這些離子液體在該領域的重要應用價值。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，并由其組裝成了性能優良的染料敏化太陽能電池。

2.3 離子液體在燃料電池中的應用

隨著化石燃料的枯竭和非可再生能源資源危機的加劇，尋求可持續且清潔的電力生成方式成為人們的迫切需求。質子傳導膜燃料電池通過氫和氧電化學反應將化學能轉化為電能，在交通與建筑等領域展示出巨大的應用潛力。Zanchet等［6］利用3種質子型離子液體——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，制備出了質子傳導/離子液體復合膜，從而提高了電池的導電性和熱穩定性。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%的質量濃度范圍內對聚偏氟乙烯膜進行改性，有效提升了這些膜的熱穩定性、質子導電性和機械性能。

3 離子液體在生物催化領域的應用

3.1 離子液體在各類酶催化有機反應中的應用

離子液體作為一種公認適用于生物轉化過程的高效反應介質，在各類酶催化的有機合成反應中扮演著關鍵角色，如水解酶與氧化還原酶在內的多種酶系反應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程涵蓋了多個酶類別所驅動的反應類型，如氧化酶在脂質體系內的氧化反應，細胞色素參與的代謝轉換，微生物主導的水合作用，以及纖維素酶介導的多糖水解反應等。此外，還涉及氟化酶及鹵代烴脫氫酶在ILs中執行的鹵化反應、螢光素酶實現的生物發光反應等［10］。總之，離子液體在上述眾多的有機合成反應中得到了有效的運用。

3.2 離子液體在脂肪酶催化有機反應中的應用

作為一種廣泛應用的水解酶，脂肪酶具備催化多種反應的能力，如水解、酯交換、醇解、酸解、酯化及氨解反應等，在合成領域占據顯著地位。Zhao等［11］采用含烷基醚基團的離子液體進行脂肪酶催化生產生物柴油。Arai等［10］進一步驗證了以真菌全細胞生物催化劑在離子液體中生產生物柴油的可能性，并通過戊二醛交聯大大提升了生物催化劑的穩定性。Park等［12］研究了ILs體系中在葡萄糖衍生物區域進行選擇性乙酰化的反應，發現與四氫呋喃相比，離子液體能實現高度區域選擇乙酰化。Kim等［13］通過將ILs作為溶劑，成功調控了脂肪酶催化乙酰化反應的區域選擇性。Wang等［14］在超聲輻射的條件下，采用醋酸乙烯酯作為酰化試劑，利用脂肪酶催化的酯交換反應實現了高度區域選擇性酰化。

4 離子液體在新材料制備領域的應用

離子液體具有蒸氣壓低、電導率高、電位窗口寬等優點，被廣泛用于生產金屬、合金、半導體材料、導電聚合物和其他一些在水電解質中難以制備的材料。

4.1 離子液體在電沉積制備材料中的應用

在電沉積中使用離子液體的主要優點是電化學過程在相對較低的溫度下進行。因此，與高溫電化學工藝相比，它可以消除產品中的熱應力。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］采用電化學方法研究了鏑和鋱在1-乙基-3-甲基-咪唑四氟硼酸鹽離子液體中的電沉積過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用

由于離子液體在特定條件下能夠調控其物理化學和生物參數，故其在氣體傳感器、化學傳感器、生物傳感器、濕度傳感器等多種傳感裝置中得到廣泛應用。Zhao等［19］制備了一種疏水性離子液體-聚合物復合材料，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。這種柔性復合材料對濕度響應速度快、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，形成的復合材料可在氣體傳感應用中表現出優越性能。Chen等［21］構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，可用于實時監測人體運動，表現出可靠的傳感性能。

5 總結和展望

離子液體具有許多優良的特性，如蒸氣壓低、熱穩定性高、易燃性低、導電性高、電化學窗口寬和溶劑性質可調等。離子液體的低揮發性和出色的離子傳輸性能使其在電池領域中的應用備受矚目；離子液體作為一種公認的適用于生物轉化過程的高效反應介質，在各類酶催化的有機合成反應中扮演著關鍵角色；離子液體設計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域中發揮著重要的作用。

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