什么是离子液体？定义、特性、制备与应用全解

说明：本文华算科技介绍了离子液体的定义、特性、制备方法、应用领域。离子液体具有低蒸气压、良好热稳定性与导电性、可调节溶解性等特性，广泛应用于催化、分离、电化学等领域。

离子液体是一种在室温或接近室温下呈液态的熔融盐，其核心特征是由有机阳离子（如咪唑鎓、吡咯烷鎓、季铵盐等）与无机或有机阴离子（如BF₄^–、PF₆^–、TFSI^–等）组成，且熔点低于100°C。

其低熔点特性主要源于离子半径较大和空间对称性差导致的库仑力减弱。如今，离子液体已成为绿色化学和能源领域的重要材料，具有广阔的应用前景。

图1 (a) 离子液体（粉色）、有机溶剂（绿色）和液化气体溶剂（蓝色）的介电–流动性(εᵣ·η⁻¹)因子值比较。DOI：10.34133/2021/9204217

1914年，P.Walden合成了最早的离子液体硝乙基硝酸铵（熔点12°C），但由于其不稳定且易爆炸，并未引起广泛关注。1982年，Wilkes合成了氯化1-甲基-3-乙基咪唑盐（熔点8°C），离子液体的应用研究才真正得到开展。

1992年，Wilkes和Zaworotko合成出熔点低、耐水解且稳定性强的离子液体1–乙基–3–甲基咪唑四氟硼酸盐（[EMIM][BF4]）。自此以后，离子液体的研究步入正轨，离子液体的“可设计性”已得到初步体现。

离子液体的典型阳离子包括季铵盐离子、季鏻盐离子、咪唑盐离子和吡咯盐离子等，阴离子则包括卤素离子、四氟硼酸根离子、六氟磷酸根离子等。

图2 离子液体中常用的一些阳离子DOI：10.1007/s12551-018-0419-2

图3 离子液体中常用的一些阴离子DOI：10.1007/s12551-018-0419-2

与传统分子溶剂不同，离子液体完全由离子构成，因此具备独特的物理化学性质。

低蒸气压和近乎不挥发：离子液体几乎不蒸发，没有味道，因此不会像传统有机溶剂那样产生挥发性有机物污染，被誉为“绿色溶剂“。

高热稳定性：分解温度常高于300°C，在较宽的温度范围内（例如从-50°C到400°C）都能保持液态和稳定。

宽电化学窗口：通常大于4V，使其在电化学应用中非常重要。

良好的离子电导率：由于完全由离子组成，所以是良好的导电体。

可调节的极性和溶剂化能力：通过选择不同的阴、阳离子组合，可以精确调整其物理和化学性质（如熔点、粘度、溶解性、极性等），以适配特定的应用需求。

表1 离子液体与传统分子溶剂物理化学性质对比

按离子液体合成步骤主要分为直接合成法和两步合成法两大类，具体选择取决于目标离子液体的组成和性质要求。

直接合成法是通过酸碱中和反应或季铵化反应等一步合成离子液体的方法。这种方法操作经济简便，没有副产物，产品易纯化。例如，通过酸碱中和法可以合成出一系列不同阳离子的四氟硼酸盐离子液体。此外，通过季胺化反应也可以一步制备出多种离子液体，如卤化1-烷基-3-甲基咪唑盐、卤化吡啶盐等。

直接合成法的优点是流程简单、产率高、副产物少，适合大规模生产。然而，这种方法可能无法直接得到某些特定组合的离子液体，特别是当目标阴离子难以通过简单反应引入时。

当直接法难以得到目标离子液体时，必须使用两步合成法。两步法制备离子液体的应用广泛，常用的四氟硼酸盐和六氟磷酸盐类离子液体的制备通常采用这种方法。

两步法的第一步是通过季铵化反应制备出含目标阳离子的卤盐。第二步则是用目标阴离子置换出卤素离子或加入Lewis酸来得到目标离子液体。在第二步反应中，可以使用金属盐MY（常用的是AgY）、HY或NH₄Y，这时会产生Ag盐沉淀或胺盐、HX气体，这些副产物容易被除去。

特别需要注意的是，在用目标阴离子Y^–交换X^–（卤素）阴离子的过程中，必须尽可能地使反应进行完全，确保没有X^–阴离子留在目标离子液体中，因为离子液体的纯度对于其应用和物理化学特性的表征至关重要。

图4 制备离子液体的常见路径。DOI：10.13140/RG.2.1.3747.5443

高纯度二元离子液体的合成通常是在离子交换器中利用离子交换树脂通过阴离子交换来制备。另外，直接将Lewis酸（如MY）与卤盐结合，可制备阳离子M_nX_ny+l型离子液体，如氯铝酸盐离子液体的制备就是利用这个方法。

表2 合成方法对比

离子液体因其独特的理化性质，在多个领域展现出广泛的应用前景。从催化反应到分离技术，从能源存储到环境保护，离子液体正在成为绿色化学和可持续发展的重要推动力。

离子液体作为一种环境友好的反应溶剂与高效催化剂，已在多类化学反应中广泛应用。在氢化反应中，离子液体兼具溶剂与催化剂功能，显著提高反应速率，且催化剂–离子液体体系可循环使用。

在傅–克烷基化反应中，离子液体可实现吲哚和2-萘酚等高区域选择性（＞90%）烷基化，并简化产物分离与溶剂回收。邓友全等首次在超酸性离子液体中实现了烷烃与CO的直接羰基化生成酮。在Heck反应中，离子液体有效抑制催化剂流失和溶剂挥发；在Diels-Alder反应中，则有助于提升反应速率与立体选择性。

图6 离子液体[AME][NO₃^–]催化的Diels-Alder反应的机理。DOI：10.6023/cjoc201604053

此外，离子液体在不对称催化反应中也表现出色。研究表明，将离子液体应用于不对称催化反应，对映体的选择性相对于普通溶剂有很大的提高，而且解决了传统方法中产物不易从体系中分离出来这一难题。

离子液体因其良好的离子电导率、宽电化学窗口和高热稳定性，在电化学领域有着广泛应用。离子液体作为电解质材料在锂电池、超级电容器和燃料电池中展示出优异性能。与传统电解质相比，离子液体具有不挥发、不易燃、热稳定性好等优点，大大提高了电化学设备的安全性。

图7 离子液体的基本类型及其相应的应用适用性。DOI：10.1007/s11581-024-05626-x

研究表明，离子液体在纳米受限空间（如电极孔隙）中表现出异常的电容行为。受限条件下，阴阳离子会形成分层排列，导致电容随孔径减小而反常增大。密度泛函理论通过求解电子密度分布精确预测了这一现象。分子动力学模拟和DFT联合研究揭示，离子液体的电化学窗口并非单纯由阴/阳离子独立决定，而是受离子对协同作用影响。