離子液體的課件.ppt

1、離子液體的合成及其應用,內容簡介,* 離子液體及其性質 *離子液體的合成 * 離子液體的應用 * 展望,離子液體,離子液體是指在室溫或接近室溫下呈現(xiàn)液態(tài)的、完全由陰陽離子所組成的鹽，也稱為低溫熔融鹽。 按酸堿性不同可分： 酸性離子液體 中性離子液體 堿性離子液體,無機鹽和離子液體的熔點,離子液體的組成,離子液體主要是由有機陽離和無機陰離子構成 陽離子：烷基季銨離子NRxH4-x、烷基季磷離子PRxH4-x、1，3-烷基取代的咪唑離子R1R3Im+ 和N-基取代的吡啶離子Rpy 陰離子：主要是BF4-、PF6-、NO3-、CF3SO3-、HSO4-、AlCl4- 等體積較大的陰離,*1914年

2、Walden 等報道了第一個在室溫下呈液態(tài)的有機鹽-硝酸乙基胺（EtNH3NO3），其熔點為12 * 1948年 Hurley 和Wier 開創(chuàng)了第一代的離子液體，即氯鋁酸N烷基吡啶鹽離子液體 ，具有較高的電導性 * 20世紀70年代 Osteryoung等對四烷基胺正離子和四氯化鋁負離子的離子液體進行應用上的系統(tǒng)研究 * 1992年 Wilkes 等合成了第一個對水和空氣都穩(wěn)定的離子液體EMIMBF4 *進入21世紀 吡啶類、吡咯類、季磷類、多胺類 甚至雙咪唑類陽離子等相繼被報道，極大地擴展了離子液體在反應、分離及材料等領域的應用,離子液體發(fā)展過程,三個歷史階段,三氯化鋁體系（20世紀90年

3、代以前） 新型耐水體系（20世紀90年代） 功能化體系（21世紀）,離子液體發(fā)展,離子液體的特點,* 蒸汽壓非常小，不易揮發(fā)，不易燃，不易爆，毒性小 * 熔點低，液態(tài)范圍寬，化學和熱穩(wěn)定性好 * 溶解性很好，能溶解許多有機物 * 導電性好，電化學窗口寬 * 價格便宜，容易制備且后處理簡單能循環(huán)使用 * 具有較大的極性可調控性，粘度低，密度大,離子液體的運用,離子液體在電化學的應用 在化學反應中的應用 離子液體在分離中的應用 氣體吸附的應用,離子液體在電化學的應用,1、在電池技術方面的應用 2、在電合成方面的應用 3、在電鍍/電沉積方面的應用 4、在電化學電容器方面的應用 5、在抗靜電方面的應用

4、 6、在傳感器方面的應用 7、在毛細管電泳方面的應用,在電池技術方面的應用,化學電源的開發(fā)是綠色化學中的重要課題，高能量、長壽命、低污染已成為判別化學電源是否可行的根本依據(jù)。離子液體的高離子電導率、寬電勢窗口、無明顯蒸汽壓，不揮發(fā)和電化學穩(wěn)定的獨特優(yōu)勢使其作為電解質在鋰電池和太陽能電池的應用方面顯示了誘人的前景。,在電合成方面的應用,一、性質穩(wěn)定，溶解性好，可重復使用 二、能促進反應的進行 三、目標產物的選擇性好，收率高 鄧友全等于室溫、常壓、無催化劑條件下，在bmimBF4、bpyBF4、bmimPF6離子液體中電化學活化CO2，與環(huán)氧化合物反應，合成了環(huán)狀碳酸酯。反應后通過蒸餾將離子液體從

5、反應混合物中分離，離子液體重復使用5次后催化活性還未見明顯降。,在電鍍/電沉積方面的應用,對電沉積而言, 離子液體兼?zhèn)淞烁邷厝埯}和水溶液的優(yōu)點: 具有較寬的電化學窗口, 在室溫下即可得到在高溫熔鹽中電沉積才能得到的金屬和合金, 但沒有高溫熔鹽那樣的強腐蝕性;同時, 在離子液體中還可電沉積得到大多數(shù)能在水溶液中得到的金屬, 但沒有副反應, 因而得到的金屬質量更好。研究人員已對銅、鋅、鐵、鎘、金、銀鈀等金屬和半導體元素的沉積進行了研究。,在電化學電容器方面的應用,電化學電容器不依賴化學反應，而是利用電極/電解質界面的雙電層快速充放電原理，用比表面高的多孔電極能貯存較多的電能，它主要用浸漬導電聚合物

6、的各種類型的碳材料和金屬氧化物作F/g電極材料，用水溶液、非水溶液和固體聚合物作電介質。非水溶液在電容器中的使用是廣為人知的，它能得到寬的電化學窗口，從而增加電容器的能量密度。以中性的離子液體作電介質的雙層電容器已見報道，離子液體采用EMIC/AlCl3中性溶液，電極選用高比表面的碳材料，電壓大于3V，電容值1.7F(或1.3/g)，能量密度約1.8Wh/kg。,在抗靜電方面的應用,將楓樹和松樹的表皮分別浸潤或涂刷上bmimBF4、bmimPF6、bmimC1、emimBF4和emimPF6離子液體，研究發(fā)現(xiàn)經離子液體處理過的木材表面電阻和體積電阻都符合ASTM標準，且這些離子液體都可以作為楓

7、樹和松樹有效的抗靜電劑，并發(fā)現(xiàn)松樹比楓樹有更低的電阻和更高的抗靜電能力。,在傳感器方面的應用,瑞士一公司利用離子液體吸水后電導增加的原理，開發(fā)了一種空氣濕度傳感器，這種基于離子液體為敏感單元的濕度傳感器與已有的基于聚合物膜為敏感單元的濕度傳感器相比，具有更快的響應時間和更強的抗干擾能力。,在毛細管電泳方面的應用,毛細管電泳作為很好的電化學分離手段廣泛用于金屬離子、藥物、蛋白質等的分離和檢測，但由于其硅管壁帶負電荷，能夠吸附正離子和生物大分子的正電荷部分，嚴重影響了其分離效果。將離子液體通過共價鍵鍵合在毛細管表面，通過靜電排斥作用減少吸附量，減少電滲流，還可以使毛細管的電滲流逆向、遷移速度隨pH

8、值的減少而增加，分離效率和重現(xiàn)性都很好。,* 根據(jù)工業(yè)需要，定向設計合成具有獨特性能的離子液體. * 完善離子液體的熱力學數(shù)據(jù)、動力學數(shù)據(jù)以及相應的熱動力學模型 * 完善離子液體的物性和結構方面的參數(shù) * 要解決有關離子液體的傳質、傳熱規(guī)律等關鍵問題,展望,離子液體的合成,按合成原理分類 按合成步驟分類,按合成原理分類,按照其合成的原理可以分為季銨化反應法、復分解反應法、酸堿中和法。 季銨化反應法 較早期的離子液體,均是由鹵化季銨鹽和鹵化鋁,按照一定的比例簡單地混合而成。其中離子液體的酸堿性通過控制鹵化鋁的用量來調節(jié)。如離子液體bminCl的合成為: bminCl +AlCl3bminCl-A

9、lCl3 復分解反應法 如離子液體emimBF4的合成為： eminCl +NH4BF4eminBF4+NH4Cl 酸堿中和法 如離子液體emimPF6的合成為: eminCl +HPF6(aq) HCl + eminPF6,按合成步驟分類,按照離子液體合成的步驟可以分為： 直接合成法 兩步合成法 外場強化法 微反應器法,直接合成法,就是通過酸堿中和反應或季銨化反應一步合成離子液體,操作經濟簡便,沒有副產物,產品易純化。具體制備過程是:中和反應后真空除去多余的水,為了確保離子液體的純凈,再將其溶解在乙腈或四氫呋喃等有機溶劑中,用活性炭處理,最后真空除去有機溶劑得到產物離子液體。另外通過季銨化反

10、應也可以一步制備出多種離子液體。,兩步合成法,如果直接法難以得到目標離子液體,就必須使用兩步合成法。首先通過季銨化反應制備出含目標陽離子的鹵鹽,然后用目標陰離子Y-置換出X-或加入Lewis酸MXy來得到目標離子液體。在第二步反應中,使用金屬鹽MY(常用的是AgY或NH4Y)產生AgX沉淀或NH3、HX氣體而容易除去;加入強質子酸HY,反應要求在低溫攪拌條件下進行,然后多次水洗至中性,用有機溶劑提取離子液體,最后真空除去有機溶劑得到純凈的液體。應特別注意的是,在用目標陰離子(Y-)交換陰離子(X-)的過程中,必須盡可能地使反應進行完全,確保沒有X-陰離子留在目標離子液體中,因為離子液體的純度對

11、于其應用和物理學特性的表征至關重要。高純度二元離子液體的合成通常是在離子交換器中利用離子交換樹通過陰離子交換來制備。,外場強化法,外場強化法主要為微波法和超聲波法。 微波法:是通過極性分子在快速變化的電磁場中不斷改變方向而引起分子的摩擦發(fā)熱，屬于體相加熱。微波法加熱升溫速度較快，可極大地提高反應速率(有些反應只需幾分鐘)，甚至提高產率和純度。 超聲波法:超聲波借助于超聲空化作用能夠在液體內部形成局部的高溫高壓微環(huán)境，并且超聲波的振動攪拌作用可以極大地提高反應速率，尤其是非均相化學反應。,微反應器法,微反應器法一般是指在一個內部尺寸為幾微米到幾百微米的小型微反應器內進行的反應。微反應器不但具有所

12、需空間小、質量和能量消耗少以及反應時間短的優(yōu)點，而且能夠顯著提高產物的產率與選擇性以及傳質傳熱效率。,在化學反應中的應用,離子液體作溶劑進行有機合成反應是近年來的新興研究領域之一。以離子液體作反應系統(tǒng)的溶劑有如下一些優(yōu)點：首先，為化學反應提供了不同于傳統(tǒng)分子溶劑的環(huán)境，可改變反應機理，使催化劑活性、穩(wěn)定性更好，轉化率、選擇性更高；其次，離子液體種類多，選擇余地大；再次，將催化劑溶于離子液體中，與離子液體一起循環(huán)利用，催化劑兼有均相催化效率高、多相催化易分離的優(yōu)點；最后，產物的分離可用傾析、苯取、蒸餾等方法，因離子液體無蒸氣壓，液相溫度范圍寬，使分離易于進行。,離子液體在分離中的應用,分離提純是化學反應的重要應用內容。采用水為溶劑分離提純制適用于溶于水的物質；采用蒸餾技術只適用于蒸汽壓大的物質；采用有機溶劑（例如萃?。┯謺斐蓢乐氐沫h(huán)境污染。離子液體具有獨特的理化性能，非常適合作為分離提純的溶劑，尤其是在液液提取分離上，離子液體能溶解某些有機化合物、無機化合物和有機金屬化合物，而同