离子液体

本Valsler

本周，卡特里娜Krämer调查了她所说的“地球上最迷人的一些液体”，这是一组自成一类的溶剂。

卡特里娜克莱默

溶剂在化学中经常被忽略。而溶剂的选择则不同非常重要在美国，似乎没有明确的规则来解释为什么反应有时在一种溶剂中比在另一种溶剂中更好。从我的经验来看，通过无休止的筛选来寻找完美的溶剂并不是许多化学家喜欢做的事情。因此，我惊讶地发现，一种溶剂曾被评为“最有可能塑造21世纪的英国创新”^圣这项由科学博物馆和学术团体开展的全国性调查结果显示，与希格斯玻色子、3d打印器官和树莓派电脑等并列获此殊荣。

但是赢得选举的化合物不是普通的溶剂;它们可能是地球上最迷人的液体之一，不是由单个液体制成的原子，但完全来自阴离子而且阳离子．这意味着这些液体本质上是盐，至少高中科学课本上是这么说的-意味着它们应该形成良好的固体晶格结构，而不是在室温下是液体。离子液体。这是阿拉巴马大学化学工程教授Jason Bara说．

杰森·巴拉

氯化钠可以是离子液体，如果你把它加热到足够热的话。但我猜现代的定义是有机盐在100摄氏度以下融化。在那之后，它就变成了在室温下会融化的盐，所以这些就是过去20年里人们非常感兴趣的东西或者是那些在室温下是液体的东西。

卡特里娜克莱默

所以在某种意义上，离子液体不过是熔盐。但当你想到“盐”时，你可能会想到“氯化钠”，它的熔点是可笑的800°C。人们需要一个新的描述——“离子液体”这个词就诞生了。其他的名字还包括液体盐，离子熔体，熔融盐，或者，如果你想特别优雅的话，离子玻璃。

最常见的离子液体由有机阳离子(通常是烷基化胺)和无机阴离子(通常是硼酸盐、硫酸盐或磷酸盐)组成。它们是液体的原因?简单的空间。

杰森·巴拉

所以他们不擅长打包，对吧?所以它们真的又大又笨重，而且电荷是非定域的。所以即使我们把它看成一个正离子和一个阴离子，它太大了，电荷散开了，它们很难聚集在一起，所以它们唯一能做的就是变成液体因为我们不是气体，它们也不能变成固体。

卡特里娜克莱默

目前尚不清楚是谁制造了第一个真正的离子液体。这个概念可能在1900年之前就已经为人所知了。但在1914年，俄罗斯-拉脱维亚-德国化学家保罗·瓦尔登发现了硝酸乙铵，一种熔点只有12°C的盐。瓦尔登当时正在研究熔盐中导电性与分子大小之间的关系，他只是想找一种熔点足够低、不至于烧坏他的测试设备的东西。但是在他的研究这本书以20世纪早期科学的隐忍风格写成，沃尔登对硝酸乙铵创纪录的低熔点似乎并不是特别兴奋或感兴趣。

瓦尔登的发现在几十年里几乎没有人注意。1951年，一组美国研究人员发现将某些盐(乙基吡啶溴化铵和氯化铝)混合后，在室温下会产生某种液体。事实上，它的熔点非常低——混合物在达到- 40°C之前不会凝固——所以人们开始感兴趣。

离子液体的研究在20世纪70年代和80年代开始兴起，当时有机金属化学家参与其中，并研究了它们作为反应溶剂的潜力。然而，在20世纪90年代，这一领域仍然相对鲜为人知。伦敦帝国理工学院化学家汤姆·威尔顿回忆1985年，当他参加第一次有关离子液体的国际会议时，几乎全世界研究离子液体的人都参加了，而且你可以把他们都塞进一个房间。

这一领域(打个比方)在21世纪初爆发了。突然之间，超级溶剂风靡一时，被应用于电池电解质、润滑剂和合成，既可以作为溶剂，也可以作为试剂。科学家甚至提出了在月球上建造一个巨大的镀银离子液体旋转盘，在那里它可以作为一个超大直径的液体镜子望远镜。

所有这些令人兴奋的事情也开始引起工业化学家的注意。离子液体可以组合成至少100万种不同的阴离子-阳离子组合，以微调粘度和疏水性等特性。而且，与大多数传统溶剂不同，它们本质上是不挥发的。事实上，它们的蒸汽压非常低，以至于化学家们最初认为它们不能被蒸馏——事实证明它们可以，但你需要相当高的温度和一个非常好的真空泵。

2002年，化学制造商巴斯夫推出了一种生产光引发剂的新工艺，称为罗勒工艺(与草药无关，它是“利用离子液体清除双相酸”的首字母缩写)。该过程使用离子液体前体来捕获酯化过程中产生的副产物酸。这就产生了一种离子液体，它将自己从反应混合物中分离出来。叔胺可以做同样的工作，但当它吸收酸时，它会产生一种很难去除的浓泥。另一方面，离子液体是一种很好的透明液体，不仅可以很容易地去除，而且还可以回收前驱体。这个过程是如此具有开创性，以至于它在2004年获得了欧洲化学新闻创新增长奖。

从那时起，离子液体在许多工业过程中得到了应用，从衣服回收它们被用来溶解棉纤维，以提供更安全的危险气体储存，如磷化氢或胂。然而，尽管有这些优势，最初围绕离子液体的炒作已经减弱。离子液体似乎不太可能在短期内取代传统溶剂，因为它们太贵了。

那么有没有一种方法可以在保留离子液体独特特性的同时减少离子液体的使用量呢?巴拉是这么认为的。他的团队正在研究将少量离子液体固定在多孔聚合物中，以制造可以捕获二氧化碳的材料。

杰森·巴拉

我一直对聚合物很感兴趣，所以我开始思考如何将离子液体应用到聚合物体系中。我们不是第一个这样做的人，但我们是第一个把它应用到CO的人₂．离子液体与聚合物之间有一些非常有趣的相互作用，因为它们会粘在一起。所以如果聚合物是带电荷的，我放一个离子液体进去，离子液体就会粘在聚合物上，你不能像挤海绵一样把它挤出来。所以如果我把聚苯乙烯和离子液体混合，它要么不会混合要么会混合一点。如果你对它施加压力，离子液体就会被挤出来。但是如果你有一个带电的聚合物和一个离子液体，那么就有很大的力把它们结合在一起。

所以我们所做的就是你可以用离子液体来排列聚合物。所以这不是分子水平上的随机汤。我们正在做的是使用带电聚合物，它和离子液体的功能非常相似，我们把离子液体加进去，就会得到结构上的变化。离子液体进入聚合物链之间，并将其组织成非常多孔和开放的东西，这样你就可以在理想情况下，制造一个CO₂能穿过去，但那个洞太小了，放不下甲烷，还是氮通过。这就是最大的梦想，用带电聚合物和离子液体一起制造这些有序的柔性聚合物。

卡特里娜克莱默

Bara和他的团队正在使用聚酰亚胺等标准聚合物来承载离子液体，但也一直在将凯夫拉尔等超高性能材料功能化，使其与离子液体兼容。Bara说，他们的梦想是开发一种材料，可以在二氧化碳产生的地方捕获二氧化碳，比如在燃煤发电厂。

杰森·巴拉

当然有很多炒作。我认为人们在某种程度上已经对他们不再抱有幻想，但他们仍然有很多很酷的机会。我认为我们必须停止大规模地使用它们，如果你用越少的东西来得到你想要的东西，那就越好。我们不会直接用离子液体代替我们所知道的化学物质，比如甲醇，溶剂，等等。

卡特里娜克莱默

尽管这些超级溶剂可能不会很快取代传统的溶剂，但离子液体仍然有一些惊喜，化学家、工程师和材料科学家们一直在寻找新的方法来利用它们的特殊性质。

本Valsler

这是Katrina Krämer与来自阿拉巴马大学的Jason Bara关于离子液体的谈话。下周，我们将为您介绍一种简单的化合物，它可以帮助您完成巨大的耐力壮举。

安娜Ploszajski

在直径为21英里的水域中，在不超过18摄氏度的水中游泳平均需要14个小时。只有大约2000人真正成功穿越;远远少于登顶珠峰的人数。当然，这样一项艰苦的任务必须由高效、大功率的能源提供燃料。

本Valsler

下次和材料科学家Anna Ploszajski一起探索让她游过英吉利海峡的化学物质。在那之前，如果有任何问题，评论或问题，请通过电子邮件联系我们chemistryworld@rsc.org或推特@chemistryworld．你可以在这里找到我们所有的播客新万博赞助商chemistryworld.com/新万博赞助商podcasts，也可以在iTunes, Spotify或其他任何你去听播客的地方。谢谢大家的聆听，我是本·瓦尔斯勒。