Prečo sa iónové tekutiny považujú za triedu materiálov meniacich hru v modernej chémii a inžinierstve?

V neustále sa rozvíjajúcom prostredí pokročilých materiálov, iónové kvapaliny (ILS) sa objavili ako revolučná trieda látok, ktoré vzdorujú konvenčným kategorizáciám kvapalín, solí a rozpúšťadiel. Čo presne však robí iónové tekutiny tak jedinečné-a prečo sa stále viac považujú za základný kameň pri vývoji udržateľných technológií, zelenej chémie a elektrochemických systémov novej generácie?

Na najzákladnejšej úrovni je iónová kvapalina soľ zložená výlučne z iónov To zostáva v kvapalnom stave pod 100 ° C, často aj pri teplote miestnosti. Na rozdiel od tradičných solí, ako je chlorid sodný, ktoré vyžadujú roztavenie vysokých teplôt, sa iónové kvapaliny zvyčajne vyrábajú z Objemné, asymetrické organické katióny (ako je imidazolium, pyridínium, amónny) spárované s anorganické alebo organické anióny (Rovnako ako bis (trifluórmetylsulfonyl) imid, pf₆⁻, bf₄⁻ alebo halogenidy). Nepravidelné tvary a slabá koordinácia medzi iónmi bránia kryštalizácii a vedú k ich charakteristickým nízkym bodom topenia.

Fyzikálno -chemické vlastnosti iónových kvapalín sú rovnako rozmanité ako ich laditeľné molekulárne štruktúry. Jednou z ich najdôležitejších vlastností je zanedbateľný tlak pary , vďaka čomu sú neprchavé a atraktívne ako environmentálne benígne alternatívy k tradičným organickým rozpúšťadlám. Samotná funkcia ich umiestnila do popredia iniciatívy zelenej chémie , kde je prioritou eliminácia prchavých organických zlúčenín (VOC).

Iónové tekutiny, okrem toho, že sú neprchavé výnimočná tepelná a elektrochemická stabilita . Mnoho IL môže pracovať pri teplotách presahujúcich 200 ° C bez rozkladu a ich široké elektrochemické okná (až 6V v niektorých systémoch) z nich robia ideálne elektrolyty v aplikáciách, ako napríklad lítium-iónové batérie, superkondenzátory a kovové pokovovanie . Ich vnútorná iónová povaha tiež poskytuje vysokú iónovú vodivosť, najmä v systémoch, v ktorých by sa konvenčné rozpúšťadlá odparili alebo degradovali za tvrdých podmienok.

Ďalšia kritická výhoda iónových kvapalín spočíva v ich chemická laditeľnosť . Modifikáciou katiónu alebo aniónu môžu vedci jemne doladiť vlastnosti, ako je viskozita, polarita, hydrofilita alebo dokonca koordinačná schopnosť. To umožnilo vytvorenie iónové kvapaliny špecifické pre úlohy (TSIL) Navrhnuté pre vysoko selektívne úlohy-napríklad pri zachytávaní CO₂, spracovaní biomasy alebo katalýzy prechodných kovov. Modularita ILS z nich robí druh „dizajnérskeho rozpúšťadla“ pre komplexné chemické prostredie.

V oblasti separácie a extrakcie , iónové kvapaliny ponúkajú oproti tradičným rozpúšťadlám niekoľko výhod. Ich schopnosť solubilizovať širokú škálu organických a anorganických zlúčenín spojených s ich nemiešateľnosťou s vodou alebo uhľovodíkmi (v závislosti od zloženia) umožňuje vysoko účinné extrakčné systémy kvapalin-kvapaliny. IL boli použité pre Získanie prvkov vzácnych zemín, odstránenie zlúčenín síry z palív a dokonca extrakcia bioaktívnych molekúl z rastlín .

V katalýza , ako rozpúšťadlá, ako aj ko-katalyzátory, ILS zvyšujú reakciu selektivitu a výťažok a zároveň zjednodušujú separáciu produktu. Mnoho komplexov prechodných kovov vykazuje zlepšenú stabilitu a aktivitu v médiách IL. Najmä iónové kvapaliny boli použité v Asymetrické hydrogenácie, alkylácie a krížové spojenie , často za miernejších podmienok ako v konvenčných systémoch.

Jednou z najvýznamnejších aplikácií iónových kvapalín je v oblasti elektrochemické zariadenia a skladovanie energie . Elektrolyty založené na IL sa začleňujú do Lítiové kovové batérie, batérie sodíkových iónov, solárne články senzibilizované na farbivo (DSSC) a dokonca aj elektrolyty v pevnom stave . Ich elektrochemická inerta, nenaláhlosť a tepelná tolerancia ponúkajú kritické výhody na zlepšenie bezpečnosti a výkonu energetických systémov.

Napriek svojmu sľubu nie sú iónové kvapaliny bez problémov. Mnoho IL je stále drahé syntetizovať v mierke a niektorí trpia vysoká viskozita , čo obmedzuje mieru hmotnostného prenosu. Okrem toho, zatiaľ čo ILS sa často propaguje ako „zelené rozpúšťadlá“, ich biologicky odložiteľnosť a toxicita V závislosti od štruktúry a dlhodobý vplyv na životné prostredie zostáva v oblasti aktívneho výskumu. Riešenie týchto obáv prostredníctvom udržateľnejších trás syntézy a komplexnej analýzy životného cyklu bude nevyhnutné pre širšie prijatie.

Budúcnosť iónových tekutín je stále viac interdisciplinárna. V veda o materiáloch , IL sa používajú ako rozpúšťadlá a templáty v syntéze nanomateriálov, kov-organických rámcov (MOF) a vodivých polymérov. V biotechnológia , umožňujú stabilizáciu enzýmov, extrakciu proteínov a dokonca aj manipuláciu DNA za netradičných podmienok. Ich potenciálna úloha v Zachytenie a využitie uhlíka (CCU) Technológie tiež naberajú dynamiku, najmä vzhľadom na ich afinitu k Co₂ a vysokému tepelnému odporu.