Proč jsou iontové kapaliny považovány za třídu materiálů měnících hru v moderní chemii a inženýrství?

V neustále se vyvíjející krajině pokročilých materiálů, iontové kapaliny (ILS) se objevily jako revoluční třída látek, které vzdorují konvenčním kategorizaci kapalin, solí a rozpouštědel. Co však přesně dělá iontové kapaliny tak jedinečné-a proč jsou stále více považovány za základní kámen ve vývoji udržitelných technologií, zelené chemie a elektrochemických systémů nové generace?

Na nejzákladnější úrovni je iontová kapalina a sůl složená výhradně z iontů To zůstává v kapalném stavu pod 100 ° C, často i při pokojové teplotě. Na rozdíl od tradičních solí, jako je chlorid sodný, které vyžadují roztavení vysokých teplot, se obvykle vyrábějí iontové kapaliny objemné, asymetrické organické kationty (jako je imidazolium, pyridinium, amonium) anorganické nebo organické anionty (jako bis (trifluoromethylsulfonyl) imide, pf₆⁻, bf₄⁻ nebo halogenides). Nepravidelné tvary a slabá koordinace mezi ionty zabraňují krystalizaci a mají za následek jejich charakteristické nízké body tání.

Fyzikálně -chemické vlastnosti iontových kapalin jsou stejně rozmanité jako jejich laditelné molekulární struktury. Jeden z jejich nejvíce definujících rysů je zanedbatelný tlak par , což z nich činí nezávislé a tak atraktivní jako ekologicky benigní alternativy k tradičním organickým rozpouštědům. Tato funkce sama o sobě je umístila do popředí Viciativy zelené chemie , kde je prioritou eliminace těkavých organických sloučenin (VOCS).

Kromě toho, že jsou netěkavé, vystavují iontové kapaliny výjimečná tepelná a elektrochemická stabilita . Mnoho IL může pracovat při teplotách přesahujících 200 ° C bez rozkladu a jejich široká elektrochemická okna (až 6V v některých systémech) z nich činí ideální elektrolyty v aplikacích, jako jsou lithium-iontové baterie, superkondenzátory a kovové pokovování . Jejich vnitřní iontová povaha také propůjčuje vysokou iontovou vodivost, zejména v systémech, kde by se konvenční rozpouštědla odpařovala nebo degradovala za drsných podmínek.

Další kritická výhoda iontových kapalin spočívá v jejich Chemická laditelnost . Úpravou kationtu nebo aniontu mohou vědci doladit vlastnosti, jako je viskozita, polarita, hydrofilita nebo dokonce koordinační schopnost. To umožnilo vytvoření Iontové kapaliny specifické pro úkoly (TSILS) Navrženo pro vysoce selektivní role-například v CO₂ zachycení, zpracování biomasy nebo katalýze přechodu kovů. Modularita ILS z nich činí jakýsi „návrhářským rozpouštědlem“ pro komplexní chemická prostředí.

V oblasti separace a extrakce , iontové kapaliny nabízejí několik výhod oproti tradičním rozpouštědům. Jejich schopnost solubilizovat širokou škálu organických a anorganických sloučenin, spojených s jejich nemířitelností s vodou nebo uhlovodíky (v závislosti na složení), umožňuje vysoce účinné systémy extrakční kapaliny. IL byly použity pro Zvyšování prvku vzácných zemin, odstranění sloučenin síry z paliv a dokonce extrakce bioaktivních molekul z rostlin .

In katalýza , jak jako rozpouštědla, tak ko-katalyzátory, ILS zvyšuje selektivitu reakce a výnos při zjednodušení oddělení produktu. Mnoho komplexů přechodných kovů vykazuje zlepšenou stabilitu a aktivitu v médiu IL. Zejména byly iontové kapaliny použity v Asymetrické hydrogenace, alkylace a křížové vazby , často za mírnějších podmínek než v konvenčních systémech.

Jedna z nejmodernějších aplikací iontových kapalin je v říši elektrochemická zařízení a ukládání energie . Elektrolyty založené na IL jsou začleněny do Lithium kovové baterie, sodíko-iontové baterie, solární články senzibilizované na barviva (DSSC) a dokonce i elektrolyty s pevným státem . Jejich elektrochemická inertnost, nehostitelnost a tepelná tolerance nabízejí kritické výhody pro zlepšení bezpečnosti i výkonu energetických systémů.

Navzdory svému slibu nejsou iontové kapaliny bez výzev. Mnoho IL je stále drahé syntetizovat v měřítku a některé trpí vysoká viskozita , což omezuje míry přenosu hromadného přenosu. Navíc, zatímco IL jsou často propagovány jako „zelená rozpouštědla“, jejich biologická rozložitelnost a toxicita V závislosti na struktuře se velmi liší a dlouhodobý dopad na životní prostředí zůstává oblastí aktivního výzkumu. Řešení těchto obav prostřednictvím udržitelnějších tras syntézy a komplexní analýzy životního cyklu bude nezbytné pro širší přijetí.

Budoucnost iontových kapalin je stále více interdisciplinární. V Věda o materiálech , ILS se používají jako rozpouštědla a šablony v syntéze nanomateriálů, kovově organických rámců (MOF) a vodivých polymerů. V Biotechnologie , umožňují stabilizaci enzymu, extrakci proteinů a dokonce i manipulaci s DNA za netradičních podmínek. Jejich potenciální role v Zachycení a využití uhlíku (CCU) Technologie také nabývá na síle, zejména vzhledem k jejich afinitě k CO₂ a vysokému tepelnému odporu.