中文简体
Iontové kapaliny (ILS) jsou jedinečnou třídou chemických sloučenin složených výhradně z iontů - pozitivně nabitých kationtů a negativně nabitých aniontů -, které existují v kapalné formě při teplotě místnosti nebo v jeho blízkosti. Na rozdíl od konvenčních rozpouštědel, která jsou často molekulárními kapalinami, jsou iontové kapaliny soli, které zůstávají kapalné pod 100 ° C a mnoho z mnoha při teplotě místnosti. Tato neobvyklá charakteristika jim dává odlišné fyzikálně -chemické vlastnosti, díky nimž je zaměřením na rostoucí zájem o chemii, vědu o materiálech a různé průmyslové aplikace.
Co přesně jsou Iontové kapaliny ?
Iontové kapaliny jsou soli, které se roztaví při teplotách obvykle pod 100 ° C, přičemž mnoho zbývajících kapaliny za okolních podmínek (přibližně 25 ° C). Jsou tvořeny kombinací objemných a často asymetrických organických kationtů s řadou anorganických nebo organických aniontů. Velká velikost a delokalizace náboje v ionech snižují bod tání výrazně ve srovnání s tradičními soli, jako je chlorid sodný.
Typická molekula iontové kapaliny se skládá z:
Kationty: Obvykle imidazolium, pyridinium, amonium, fosfonium nebo sulfonium na bázi struktur.
Anionty: Mezi příklady patří halogenidy (Cl⁻, Br⁻), tetrafluoroborát (BF₄⁻), hexafluorofosfát (PF₆⁻), bis (trifluoromethylsulfonyl) imid (TF₂N⁻) a další.
Jejich iontová povaha vede k silným coulombickým interakcím, ale jejich asymetrie a sterická překážka jim zabraňují snadno krystalizaci, což má za následek kapalný stav při relativně nízkých teplotách.
Klíčové charakteristiky iontových kapalin
Iontové kapaliny vykazují několik výrazných vlastností, které je odlišují od tradičních molekulárních rozpouštědel:
| Charakteristický | Popis |
| Nízká volatilita | Zanedbatelný tlak par, snižování odpařování a emisí. |
| Vysoká tepelná stabilita | Stabilní ve širokých teplotních rozsazích, často> 300 ° C. |
| Široký rozsah kapaliny | Zůstaňte kapalinou napříč širokými teplotními rozsahy. |
| Vysoká iontová vodivost | Povolit efektivní transport náboje, užitečný v elektrochemii. |
| Nepřirozenost | Nepochybněte se snadno a zvyšují bezpečnost. |
| Laditelnost | Vlastnosti lze přizpůsobit změnou kombinací kationtu/aniontu. |
| Vysoká polarita | Vynikající rozpouštědla pro polární a iontové druhy. |
| Dobrá schopnost solvatace | Rozpusťte řadu organických, anorganických a polymerních látek. |
| Nízký tlak par | Ekologičtější v důsledku snížených emisí vzduchu. |
Typy iontových kapalin
Iontové kapaliny jsou kategorizovány na základě jejich chemické struktury, povahy iontů a specifických aplikací:
Iontové kapaliny pokojové teploty (RTIL)
Kapalina při 25 ° C nebo v jeho blízkosti.
Příklady: 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborát ([BMIM] [BF₄]).
Vysokoteplotní iontové kapaliny
Kapaliny, ale s body tání mezi 100 ° C a 200 ° C.
Protic iontové kapaliny
Vytvořené přenosem protonů mezi kyselinou a bází Brønsted.
Vykazují vlastnosti, jako je vodíková vazba.
Aprotické iontové kapaliny
Nezahrnujte přenos protonů.
Často stabilnější tepelně a chemicky.
Iontové kapaliny specifické pro úkoly (TSILS)
Navrženo s funkčními skupinami přizpůsobenými pro specifické reakce nebo separace.
Polymerní iontové kapaliny (PILS)
Iontové kapaliny polymerizované na pevné nebo gelové formy pro pokročilé materiály.
Výhody iontových kapalin
Kombinace jedinečných vlastností činí iontové kapaliny lepší než konvenční rozpouštědla nebo materiály mnoha způsoby:
| Výhoda | Vysvětlení |
| Environmentální přívětivost | Nízký tlak par snižuje emise VOC a znečištění ovzduší. |
| Přizpůsobitelná chemie | Molekulární návrh umožňuje optimalizaci pro specifická použití. |
| Rozsah široké rozpustnosti | Může rozpustit široké spektrum sloučenin, včetně plynů, solí a organických látek. |
| Recyklovatelnost | Lze získat a znovu použít a snižovat odpad. |
| Tepelná a chemická stabilita | Užitečné v drsných chemických prostředích a vysokoteplotních procesech. |
| Nepřirozenost | Bezpečnější manipulace a skladování ve srovnání s těkavými organickými rozpouštědly. |
| Zvýšené rychlosti reakce | Mohou působit jako katalyzátory nebo konalyzátory, což zvyšuje účinnost. |
| Elektrochemické aplikace | Vysoká iontová vodivost vhodná pro baterie, kondenzátory a elektrolekt. |
Aplikace iontových kapalin
Iontové kapaliny našly aplikace napříč širokou škálou polí kvůli jejich všestranným vlastnostem:
1. zelená chemie a rozpouštědla
Výměna těkavých organických rozpouštědel (VOC) v chemických syntezách.
Používá se jako reakční média v organické syntéze, katalýze a enzymatických procesech.
Zlepšená selektivita a výnos v mnoha reakcích.
2. elektrochemická zařízení
Elektrolyty v bateriích (lithium-ion, sodík-ion), superkondenzátory a palivové články.
Elektroplatování a elektrodepozice s kontrolovanou morfologií.
Senzory a elektrochemická detekce.
3. procesy separace
Zachycení a separace plynu, jako je CO₂ zachycení z plynových plynů.
Extrakce kovů a prvků vzácných zemin.
Chromatografické a membránové separační techniky.
4. biotechnologie a léčiva
Stabilizace a solubilizace biomolekul.
Systémy a formulace dodávek léčiva.
Katalýza enzymu v iontové kapalinové médiu.
5. Věda o materiálech
Syntéza nanomateriálů a polymerů.
Šablony pro porézní materiály a iontové kapalné krystaly.
Maziva a přísady pro tribologii.
Jak používat iontové kapaliny
Používání iontových kapalin vyžaduje pozornost na jejich fyzickou a chemickou povahu:
Zacházení: Vzhledem k jejich nízké těkavosti je riziko inhalace minimální, ale doporučujeme se zabránit kontaktu s kůží rukavice a ochrana očí.
Rozpuštění: Iontové kapaliny mohou rozpustit různé látky, ale mohou vyžadovat míchání nebo zahřívání.
Míchání: Mohou být smíchány s molekulárními rozpouštědly nebo používat čisté v závislosti na aplikaci.
Katalýza: Často se používají jako rozpouštědla a katalyzátory současně; Reakční podmínky se mohou lišit od tradičních rozpouštědel.
Zotavení: Lze získat zpět destilací produktů, extrakcí nebo separace fáze pro opětovné použití.
Jak ukládat iontové kapaliny
Správné úložiště zajišťuje dlouhověkost a udržuje jejich vlastnosti:
| Stav skladování | Doporučení |
| Typ kontejneru | Používejte vzduchotěsné, chemicky odolné nádoby (sklo nebo PTFE). |
| Teplota | Uložte při pokojové teplotě, vyhněte se extrémům tepla nebo chladu. |
| Kontrola vlhkosti | Udržujte daleko od vlhkosti, protože některé iontové kapaliny jsou hygroskopické. |
| Ochrana světla | Uložte do tmavých nebo neprůhledných kontejnerů, abyste zabránili degradaci. |
| Označování | Jasně označte chemický název a nebezpečí. |
Iontové kapaliny obecně vykazují dobrou chemickou stabilitu, ale mohou se degradovat při dlouhodobém vystavení vodě, vzduchu nebo světlu v závislosti na jejich struktuře.
Budoucí vývoj a trendy
Pole iontových kapalin se rychle vyvíjí, poháněno potřebou udržitelných technologií a nových materiálů. Některé budoucí trendy zahrnují:
Návrh více iontových kapalin specifických pro úkol: Přizpůsobení iontových kapalin pro přesné chemické nebo průmyslové potřeby, jako je zachycení CO₂ nebo farmaceutická syntéza.
Biologicky rozložitelné a biologické iontové kapaliny na bázi bio: Vývoj iontových kapalin získaných z obnovitelných zdrojů ke zlepšení kompatibility životního prostředí.
Hybridní materiály: Kombinace iontových kapalin s polymery, nanočásticemi nebo membránami za účelem vytvoření pokročilých funkčních materiálů.
Rozšíření a komercializace: Překonávání problémů s náklady a výrobou, které umožňují rozsáhlé průmyslové používání.
Ukládání energie a konverze: Zvyšování výkonu baterií, superkondenzátorů a palivových článků pomocí iontových kapalných elektrolytů.
Biomedicínské aplikace: Rozšíření používání iontových kapalin při dodávání léčiva, tkáňové inženýrství a diagnostice.
Výpočetní design: Použití strojového učení a molekulárního modelování k predikci a navrhování iontových kapalin s optimálními vlastnostmi.
Shrnutí
Iontové kapaliny představují revoluční třídu kapalných solí s výjimečnými vlastnostmi, které mají široké aplikace napříč chemií, energií, materiály a biotechnologií. Jejich schopnost být přizpůsobena pro konkrétní úkoly v kombinaci s výhodami životního prostředí a bezpečnosti je umístí jako klíčové komponenty při rozvoji zelených technologií a inovativních průmyslových procesů. Jak výzkum postupuje a snižují výrobní náklady, očekává se, že iontové kapaliny se budou stále více nedílnou součástí udržitelného vědeckého a komerčního vývoje po celém světě.
