离子液体的应用研究

桑潇

【摘要】本文综述了离子液体在化学反应、催化反应、分离过程、萃取、功能材电化学以及纳米材料合成中的应用，并展望了离子液体的应用前景。

【关键词】离子液体 催化 分离 萃取

1、前言

离子液体就是在室温（或稍高于室温）下呈液态的仅由离子所组成的液体。离子液体（ionic liquids），又称“室温熔融盐”（Roomtemperature molten Salts），室温离子液体（Room temperature ionicliquids），也称液态有机盐（liquid organic salt）等。离子液体的最早报导可以追溯到20世纪初[1-2]。

作为绿色替代溶剂，离子液体正受到化学界各个方面的关注。它在烷基化、氢化、酉旨化、聚合等反应中的应用和在化学反应及分离技术中所展现的清洁、友好的独特魅力，使离子液体这一新的绿色溶剂替代技术成为发展清洁合成的重要途径。离子液体作为电化学过程中的替代溶剂，在电化学中的应用涉及各个方面，如电池、光电池、电解、电镀等领域。目前离子液体的应用领域主要在：化学反应、催化反应、分离技术、电化学等。

2、离子液体在化学反应中的应用

在有机合成中，以离子液体作为反应的溶剂，首先为化学反应提供了不同于传统分子溶剂的环境，它可以改变反应的机理，使催化剂的活性、稳定性更好，选择性、转化率更高；其次离子液体种类多，选择的余地大，将催化剂溶于离子液体中，与离子液体一起循环利用，催化剂具有均相催化效率高，多相催化易分离的优点，产物的分离可以用倾析、萃取和蒸馏等方法；再者因离子液体无蒸气压，液相温度范围宽，使得分离易于进行。近年来，离子液体在有机合[3]成中的应用研究日益受到人们的重视。

3、离子液体在催化反应中的应用

Zhang等讨论了离子液体在燃料油中进行氧化脱硫的应用[4]，他们以离子液體[emim]BF4和[bmim]PF6代替传统溶剂来萃取燃料油中的含硫化合物，同时在离子液体中进行化学氧化以达到脱硫的目的。这种将溶剂萃取和化学氧化两个除硫步骤“一锅法”进行的方法，提高了脱硫效率，还避免了使用有机溶剂所造成的污染及安全问题。

邓友全等人[5]还将离子液体应用于清洁汽油的生产。他们以氯铝酸离子液体为催化剂，在温和的反应条件下，通过催化烷基化和异构化较好地降低汽油中烯烃和苯的含量利用非酸性的离子液体作催化合成了汽油添加剂甲基叔丁基醚。寇元等人对功能化酸性离子液体进行了研究用指示剂Hammett测量了AlCl3类离子液体的酸性。在异丁烷/丁烯烷基化反应中应用酸性离子液体避免了生产高辛烷值汽油添加剂时存在的废酸排放等问题这些都为清洁汽油的生产开辟了一条新的途径。

4、离子液体在分离过程中的应用

分离提纯回收产物一直是合成化学的难题。用水提取分离只适用于亲水产物，蒸馏技术也不适宜用于挥发性差的产物，使用有机溶剂又会引起交叉污染。现在全世界每年的有机溶剂消耗达50亿美元，对环境及人体健康构成极大威胁。随着人们环境保护意识的提高，在全世界范围内对绿色化学的呼声越来越高，传统的溶剂提取技术急待改进。因此设计安全的、环境友好的分离技术显得越来越重要。离子液体具有其独特的理化性能，非常适合作为分离提纯的溶剂。尤其是在液一液提取分离上，离子液体能溶解某些有机化合物、无机化合物和有机金属化合物，而同大量的有机溶剂不混溶，其本身非常适合作为新的液一液提取的介质。研究发现，非挥发性有机物可用超临界CO2从离子液体中提取，CO2溶在液体里促进提取，而离子液体并不溶解在CO2中，因此可以回收纯净的产品。最近研究发现离子液体还可用于生物技术中的分离提取，如从发酵液中回收丁醇，蒸馏、全蒸发等方法都不经济，而离子液体因其不挥发性以及与水的不混溶性非常适合于从发酵液中回收丁醇。

美国Alabama大学的Rogers领导的小组研究了苯的衍生物如甲苯、苯胺、苯甲酸、氯苯等在离子液体相（bmim）PF6与水相中的分配系数，并与其在辛醇一水问的分配进行比较，两者有对应关系。由于[bmim]PF6不溶于水，不挥发，故蒸馏过程中不损失，可以反复循环使用，它既不污染水相，也不污染大气，因此称为绿色U4十溶剂。英国科学家已找到将核废料溶解于离子液体中的方法，在离子液体中加入氧化剂，可以使铀由U4+转变为U6+，使钚由Pu4+转变为Pu4+而溶解。他们认为用离子液体取代传统的溶剂如水、煤油和磷酸三丁酯的混合溶剂有可能改善现有的核燃料加工系统。各文献未涉及把金属离子从离子液体中分离出来，也许可以电解，因离子液体分解电压大，一般达4V，因而可使金属电解析出而离子液体不变。

5、离子液体在电化学中的应用

离子液体完全是由离子构成的，是电化学工作者良好的研究对象，可应用于电解、电镀、电池、光电池等领域。

离子液体用作电解液的缺点是黏度太高，但只要混人少量有机溶剂就可以大大降低其黏度，并提高其离子电导率，再加上其高沸点、低蒸气压、宽阔的电化学稳定电位窗等优点，使其非常适合用于光电化学太阳能电池的电解液。瑞士联邦技术研究所的Bonh研究用离子液体做太阳电池的电解质，因其蒸气压极低，黏度低，导电性高，有较大的电化学窗口，在水和氧存在下有热稳定性和化学稳定性，耐强酸，研究了一系列正离子[R1 R3 im]+与憎水的负离子形成的离子液体，熔点在-30℃～常温之间，特别适用于应排除水气且长期操作的电化学系统。另外高离子导电聚合物可在聚合物锉离子电池、太阳能电池、燃料电池、双电层电容器等方面得到应用。

6、离子液体在纳米材料合成中的应用

1.5.7 纳米材料具有特殊的电学、光学、力学、磁学及生物学等特征传统的合成方法中多用到各种有机溶剂或模板，并且合成条件的要求也比较高。采用离子液体的合成路线的优点：简便、绿色、高效。

原因：表面张力低（成核率高）；低表面能（溶解能力）、提供憎水基和高导向性的极性（平行或垂直于IL）；高稳定性（高温非压力）；无水或者微量水（避免氢氧化物和无定形物产生）；“延长”的氢键（超分子溶剂）。缺点是：不适合高温高压合成（如碳化物和氮化物的高温高压合成）。

7、展望

离子液体，即在室温或室温附近温度下呈液态的、仅由离子构成的物质。它一般是由有机阳离子和无机阴离子所组成。因其熔点低、蒸气压小、电化学窗口大、酸性可调及良好的溶解度、黏度、密度等特点巳经或正在有机合成、催化、分离、电化学等领域被广泛应用，并因其对环境友好吸引了工业的兴趣。而且因其绿色环保有望取代传统有机溶剂。

参考文献：

[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.离子液体与相关聚合物电解质研究进展[J].化工新型材料，2002，30（9）：13～16.