1、離子液體的特點和發展歷史室溫離子液體是完全由特定陽離子和陰離子構成的在室溫或近于室溫下呈液 態的物質。與固態物質相比較，它是液態的，與傳統液態物質相比較，它是離 子的。因而，與其他固體或液體材料相比，離子液體往往展現出獨特的物理化 學性質，是一類值得研究發展的新型 "軟"功能材料或介質。離子液體的主要特點非揮發性或 "零"蒸汽壓，這應是離子液體被認為有綠色 性的重要依據；低熔點（可達零下 100 攝氏度）；寬液程（可達零上 200 攝氏 度）；強的靜電場（這應是區別于分子型介質與材料的重要特征 ）；寬的電化學 窗口（可達 5V-7V） ，這意味著在如此寬

2、的電壓范圍內，離子液體可以不發生電 化學反應，即降解，這是通常的電解液所不具備的特性；良好的離子導電（ 25 mS/cm ）與導熱性、高熱容及熱能儲存密度；高熱穩定性（分解溫度高于 400 攝氏度）；選擇性溶解力，稱為 "液體 "分子篩；可設計性。這些特點使得離子 液體成為兼有液體與固體功能與特性的 "固體 "液體。理論上講，有近億種可能 的離子液體。離子液體的多樣性，加上各種特性的組合，使得構成大量性質與 用途不同的功能材料與介質成為可能。最早關于離子液體的研究可以追溯到 1914 年， Sudgen 等人報道了第一個 在室溫下呈液體的有機鹽類硝酸乙基

3、胺。隨后， Hurley 等人于 1948 年報道了 氯鋁酸鹽離子液體系。但是在這之后，有關離子液體的研究并不多見。直到 70 年代， Osteryong 和 Wikes 等人重新合成了基于 N- 烷基吡啶的氯鋁酸鹽離子液 體。烷基吡啶氯鋁酸鹽離子液體系的發現，為離子液體在電化學、有機合成、 催化等領域的應用初步奠定了基礎。 80 年代初 Gale 等人發現 1,3- 二烷基咪唑 鹽比 N- 烷基吡啶鹽具有更負的電位并在此基礎上合成了 1,3- 二烷基咪唑鹽類離 子液體，大大擴展了離子液體的范圍。但是，由于這一類離子液體對水和空氣 敏感，大大限制了其應用。到了 90 年代，一類以 1 -3-二

4、烷基咪唑氟硼酸鹽或 氟磷酸鹽為代表的新型離子液體被人們成功合成，使得離子液體的研究和應用 迅速擴展。催化研究工作者將該類離子液體成功地用作催化劑和催化反應介質， 并開展了大量工作。同時，離子液體的研究成功擴展到分離分析、電化學以及 功能材料等領域。這一階段成為離子液體發展的黃金時期。近兩年來，功能化和固載化成為離子液體發展的一個重要方向，其目的是最 大可能地發揮離子液體的功能。這一階段比較有代表性的工作是酸功能化離子 液體的設計合成以及離子液體固載化的工作。離子液體在催化中的應用室溫離子液體目前研究最多的是取代傳統的有機溶劑在有機反應中充當反應 介質和催化材料，這是離子液體研究的熱點。作為反應

5、介質，離子液體同其他 有機溶劑比較具有蒸汽壓低、毒性小、熱穩定性好、不易燃燒和爆炸、溶解性 能獨特、反應產物分離簡單等優點。在過渡金屬配合物催化的均相反應體系中， 使用合適的配合物可以將催化劑和離子液體緊密結合在一起，達到催化劑的液 相固載和回收。由于離子液體的純離子環境，化學反應進行在離子液體中其機 理和途徑可能不同于傳統的分子溶劑，這為深層次探討反應機理、建立新的合 成路線提供了契機。離子液體還是一種可設計溶劑，在催化反應中，可以根據具體的需求將離子 液體設計為酸性的或堿性的、親水的或親油的、甚至可以針對某一個具體的化 合物設計為高溶解度的或低溶解度的。這就使離子液體作為催化和有機反應的

6、介質更普遍、更自由。離子液體在分離分析中的應用 離子液體獨特的溶解能力和合適的液態范圍使其在多種液 -液萃取中得到了 廣泛應用。如利用離子液體從水中萃取苯的衍生物、金屬離子，進行核燃料的 萃取等過程。本課題組以離子液體 -甲醇為介質成功地實現了牛磺酸和 Na2SO4 這兩種在實際生產中共生的固體混合物的分離，離子液體可以重復使用而不發 生變質在儀器分析領域，早期的氯化鋁離子液體曾獲得過很多光譜數據。近來，離 子液體被廣泛用作氣相色譜的固定相、毛細管電泳流動相的添加劑和熒光分析 等。離子液體在電化學中的應用人們很早就注意到離子液體的特殊導電能力和較寬的電化學窗口可能使其應 用到電化學領域中更具有

7、優勢。由于離子液體還兼有酸堿性可調、無水、無配 位能力等特點，電鍍、電沉積和電化學合成成為研究的熱點。目前而言，離子液體中的金屬電鍍大多進行在氯鋁酸離子液體中，這主要是 因為氯鋁酸離子液體粘度小、溶解擴散能力好。對于那些只有在酸性或堿性條 件下才可進行的金屬電鍍而言，可調節的酸堿性是至關重要的。氯鋁酸離子液 體中已經進行了多種堿金屬、堿土金屬、過渡金屬以及多種金屬合金的電鍍和 電沉積。與其他熔鹽電鍍技術相比，離子液體中的電鍍因其具有室溫操作的優 勢而更具有實際應用價值。目前關于離子液體中電鍍和電沉積的研究大多集中 在各種金屬離子的電化學行為等應用基礎理論方面，關于鍍層的性能等方面有 待進一步深

8、人研究。利用離子液體為介質研究部分化學品的電化學合成一直以來成為科學家追求 的目標，但是到目前為止成功的例子還比較少。本課題組成功地實現了離子液 體與電化學催化技術的集成，在水和空氣穩定的離子液體中利用電化學方法活 化 CO2 ，得到五元環狀碳酸酯。甲基丙烯酸羥乙基可以與離子液體形成網狀高分子電解質且相溶性好、透明， 與純離子液體的電導率相比下降不多。同時，在單體或齊聚物中引入離子液體 的結構 （通常為陽離子 ）可以得到離子導電性高分子，還可以在其中再摻加一些 無機鹽進一步提高電導率。包括聚苯胺、聚吡咯以及聚噻吩在內的各種兀鍵共 軛聚合物被廣泛用于電池、電容器、光電電池等各類電化學器件。但是，

9、該類 器件要求電解液具有較高的電導（ <10-4 S/cm ）、寬電化學窗口（ >1V ）、高電子遷移速率（10-4m2/V/S）以及較低的粘度。由于一般的電解質（水或有機溶劑 的鹽溶液 ）難以同時達到這幾點要求，導致該電化學器件壽命極短（只有幾次）。 而離子液體正是一個能夠滿足上述要求的電解質，當各種n鍵共軛聚合物與離子液體一起用于電化學器件時，其使用壽命可以達到上百萬次，并且其性能沒 有變化。離子液體作為功能材料（一）離子液體作為敏感材料 利用離子液體中溶解少量有機分析物其粘度迅速降低這一特點，取代石英晶體微量天平中固態的無機或有機涂層，充當敏感材料檢測有機揮發物。由于有 機物

10、質在離子液體中有更快的溶解擴散速率，利用這種特性得到的 QCM 對檢 測物質的響應時間縮短了幾十倍。（二）離子液體作為潤滑材料 解決苛刻條件（低溫、高溫、真空等）下的潤滑劑凝固、氧化分解和揮發流失現象在航空航天領域具有非常重要的價值。當研究者將離子液體作為潤滑材 料使用時，發現離子液體不僅性能優越，由于其較寬的液態范圍、較好的熱穩 定'性及非常小的蒸汽壓，給上述問題解決提供契機。（三）離子液體作為儲能材料和光學材料 太陽能的收集和存儲一直是能源工業中難以解決的問題。高溫熔鹽曾經作為一種特殊條件下的儲能介質，但是由于其熔點太高，很難普遍應用。離子液體 兼有低熔點、高熱容量、較好的熱穩定性

11、和較高的密度等特點，使其成為一種 良好的能量存儲和傳輸的介質。研究表明，六氟磷酸 1 -辛基-3-甲基咪唑離子 液體的熱存儲密度是 378MJ/m3, 比現今普遍使用的儲熱油的存儲密度 （59MJ/m 3）高 6.4 倍。燃料電池在100-200 C下工作時，需要使用快質子傳導復合膜，若用吸水性 質子傳導膜如Nafion膜，因水的揮發而導致電導下降。而用！八膜吸收無揮發性 的離子液體，在完全無水的條件下，在180 °C電導率達到0.1S/cm。此外，離子液體在生命科學領域也開始得到應用。澳大利亞 Wolinggong 大 學的研究者發現離子液體可 "極大地提高人造肌肉的功能

12、，如增強肌肉的伸縮力 量。展望離子液體作為近幾年蓬勃發展起來的一種新型介質和功能材料正越來越多地 引起人們的關注，人們正以極大的熱情投人到離子液體的研究與開發中。目前 離子液體的研究和應用已經從催化和有機合成迅速擴展到分離分析、燃料電池、 生命科學、潤滑材料、敏感材料和能量的傳輸存儲等領域，并極大地影響著這 些領域的發展。未來離子液體究的重點內容應當包括：（一）離子液體理論的建立傳統的液態介質和材料均由分子和原子組成，完全由離子組成的離子液體必然有著與之不同的性質和理論。離子液體物理化學性質的測試及離子液體中各種理論的建立對改變離子液體應用研究的盲目性、促進離子液體的發展將起促進作用。（二）新型、功能化離子液體的合成 如酸功能離子液體（取代當前腐蝕設備污染環境的液休酸以及易失活的固體酸）、手性離子液體（應用于不對稱催化） 以及具有特殊電化學性質和光學性 質的離子液體。這一研究方向能夠充分發揮離子液體的可設計性特點，也必然 在未來的離子液體研究領域中占有重要地位。（三）離子液體與各種傳統技術和過程的進一步結合 技術和過程的集成往往起到共同促進、共同發展的作用，離子液體研究與各個傳統研究領域的結合應當引起研究者的重視