離子液體：塑造清潔能源的“神話元素”
瀏覽量：5752 發(fā)布者：辰信新能源公司 來 源：中國教育裝備采購網(wǎng) 發(fā)布時間：2013-11-18 9:54:18
編者按：從1914年離子液體誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)走過了近100年歷程，隨著科學技術(shù)的日益更新和發(fā)展，現(xiàn)代研制出的離子液體，越來越被各國科學家應(yīng)用于清潔能源的開發(fā)中去。今年5月，中美科學家先后在離子液體研發(fā)領(lǐng)域獲得最新突破。
離子液體
離子液體(Ionic liquid，IL)是指液態(tài)時的離子化合物。所有可熔融而不分解或氣化的鹽類都可作離子液體，如高溫下的氯化鈉，其中就含有鈉離子和氯離子。離子液體在冷卻時一般生成離子性固體，可能是結(jié)晶或無定形的。
相關(guān)資料表明，在室溫或室溫附近溫度下呈液態(tài)的由離子構(gòu)成的物質(zhì)，稱為室溫離子液體、室溫熔融鹽、有機離子液體等，目前尚無統(tǒng)一的名稱，但傾向于簡稱離子液體。在離子化合物中，陰陽離子之間的作用力為庫侖力，其大小與陰陽離子的電荷數(shù)量及半徑有關(guān)，離子半徑越大，它們之間的作用力越小，這種離子化合物的熔點就越低。某些離子化合物的陰陽離子體積很大，結(jié)構(gòu)松散，導致它們之間的作用力較低，以至于熔點接近室溫。
離子液體作為離子化合物，其熔點較低的主要原因是因其結(jié)構(gòu)中某些取代基的不對稱性使離子不能規(guī)則地堆積成晶體所致。它一般由有機陽離子和無機陰離子組成，常見的陽離子有季銨鹽離子、季鏻鹽離子、咪唑鹽離子和吡咯鹽離子等，陰離子有鹵素離子、四氟硼酸根離子、六氟磷酸根離子等。
離子液體的歷史可以追溯到1914年，當時Walden報道了(EtNH3) HNO3-的合成(熔點12℃) 。這種物質(zhì)由濃硝酸和乙胺反應(yīng)制得，但是，由于其在空氣中很不穩(wěn)定而極易發(fā)生爆炸，它的發(fā)現(xiàn)在當時并沒有引起人們的興趣，這是最早的離子液體。
直到1976年，美國Colorado州立大學的Robert利用AICl3/[N-EtPy]Cl作電解液，進行有機電化學研究時，發(fā)現(xiàn)這種室溫離子液體是很好的電解液，能和有機物混溶，不含質(zhì)子，電化學窗口較寬。1992年Wilkes以1-甲基-3-乙基咪唑為陽離子合成出氯化1-甲基-3-乙基咪唑，在摩爾分數(shù)為50%的AICl3存在下，其熔點達到了8℃。在這以后，離子液體的應(yīng)用研究才真正得到廣泛的開展。
離子液體作為碳前驅(qū)體修飾電極材料
5月中旬，來自中科院物理研究所的消息，該所北京凝聚態(tài)物理國家實驗室胡勇勝課題組首次使用離子液體作為碳的前驅(qū)體，對多孔Li4Ti5O12的進行表面包覆。與傳統(tǒng)的固態(tài)碳源前驅(qū)體相比，離子液體由于具有流動性質(zhì)更容易深入多孔材料中，而且在較低的蒸汽壓下，裂解溫度范圍較寬 (400-1000 ℃)，也不伴隨快速的溶劑蒸發(fā)，這些都有利于在顆粒表面形成均勻的包覆薄層。此外，通過選擇不同類型的離子液體還可以調(diào)節(jié)包覆層的組成。因此使用離子液體作為前驅(qū)體，對于調(diào)節(jié)包覆層和表界面的組成和性質(zhì)方面具有明顯的優(yōu)勢，這一點對于材料的設(shè)計和優(yōu)化尤為重要。
事實上，在2012年，關(guān)于離子液體的研究，我國就有重大進展。據(jù)悉，中國科學院蘭州化學物理研究所承擔的“十二五”國家科技支撐計劃項目“甲醇經(jīng)三聚甲醛合成多醚類清潔柴油用含氧化合物關(guān)鍵技術(shù)及其應(yīng)用示范”取得重大進展，自主研究開發(fā)的年產(chǎn)百噸級聚甲氧基二甲醚(簡稱DMMn)中試裝置于8月中旬在蘭州化物所白銀中試基地投料試車成功，并完成了中試試驗，打通了工藝全流程，實現(xiàn)了穩(wěn)定運行、催化分離、產(chǎn)品處理等關(guān)鍵工藝過程，再現(xiàn)了實驗室的結(jié)果。
蘭州化物所憑借其在功能化離子液體的構(gòu)筑及其催化反應(yīng)性能方面深厚的研究積累，于2007年率先在國內(nèi)突破了離子液體催化合成DMMn新技術(shù)的研究工作，目前在該領(lǐng)域已申請國內(nèi)外相關(guān)發(fā)明專利近四十件，已獲得中國和美國專利授權(quán)超過九項。該項技術(shù)將促進以甲醇為原料的碳一化學化工的發(fā)展，對非石油原料路線合成清潔燃料技術(shù)產(chǎn)生重大影響。
離子液體或稱為未來火箭燃料
據(jù)國外媒體報道，從上個世紀70年代進行火箭發(fā)射到本世紀初最先進的好奇號火星車任務(wù)都在使用較為“原始”的動力，肼依然是目前火箭發(fā)射的燃料，該化學物質(zhì)也被稱為聯(lián)氨。雖然肼可以釋放出大量的能量，但是該物質(zhì)是劇毒的，經(jīng)過美國空軍的研究所經(jīng)過多年探索，終于找到了替代肼的火箭燃料，不僅比肼燃料更加安全，也很環(huán)保，燃料釋放能量也很高。
這種新型推進劑是一種離子液體，分子具有一個正電荷或者一個負電荷，并以液體的形式存在。離子液體的特性使得該物質(zhì)非常安全，有利于運輸和存儲，但是在此前的實驗中，離子液體沒有很強的釋放能量特點，這意味著當它們?nèi)紵龝r不會產(chǎn)生推動火箭所需的能量。
來自美國空軍火箭推進研究小組科學家湯姆•霍金斯認為離子液體將是潛在的火箭燃料來源。當前的離子液體火箭推進劑的專業(yè)名稱為AF-M315E，以液態(tài)的形式呈現(xiàn)，如果用低壓處理，就會慢慢蒸發(fā)，這意味著離子液體火箭推進劑更加穩(wěn)定，易燃性低于肼，也很容易處理使用。在毒性方面，AF-M315E僅釋放出無毒的氣體，比如水蒸氣、氫氣和二氧化碳等。據(jù)了解，使用這型綠色推進劑的火箭將在2015進行首次測試飛行，如果測試成功，那么將開啟一個全新的載人航天時代。
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