什么是离子液体？概念到实践：性质、应用及 DFT/MD/AIMD 的微观解析与设计指导

说明：本文华算科技介绍了离子液体的基本概念、分类、性质及其在化学、能源和环境领域的应用，重点阐述了密度泛函理论（DFT）、分子动力学（MD）和从头算分子动力学（AIMD）等计算方法在解析离子液体微观机制中的作用。

离子液体（Ionic Liquids, ILs）是一类由有机阳离子和无机或有机阴离子组成的、熔点低于100°C的液态盐类。与传统溶剂相比，离子液体具有低挥发性、高热稳定性、宽液体范围和可调的化学性质等优势，广泛应用于催化、分离、能源储存和电化学等领域。

DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00763

根据化学组成和性质，离子液体可分为以下几类：

室温离子液体（RTILs）：在室温或接近室温下呈液态，通常由大体积、不对称的阳离子（如咪唑鎓、吡啶鎓或季铵盐）和阴离子（如[BF₄]⁻、[PF₆]⁻或[NTf₂]⁻）组成。

功能化离子液体：通过引入特定功能基团（如羟基、氨基或氟化烷基），实现特定化学或物理功能，如提高溶解性或催化活性。

双亲性离子液体：兼具亲水和疏水特性，适用于两相体系的分离或乳化。

生物基离子液体：由可再生资源（如氨基酸或糖类）衍生，绿色环保，适合可持续应用。

离子液体的核心特性是其可调性，通过改变阳离子和阴离子的组合，可精确调控其物化性质，如密度、粘度、导电性和溶解能力。例如，[BMIM][BF₄]因低粘度和高导电性常用于电化学器件，而[NTf₂]⁻阴离子的疏水性使其适合液–液萃取。

计算方法为揭示离子液体的微观结构和动态行为提供了核心工具。以下为三种主要计算方法：

1、密度泛函理论（DFT）

DOI: 10.1016/j.cej.2024.154287

密度泛函理论通过计算离子液体的电子结构，揭示离子间的电荷分布、键合特性及相互作用机制。它可预测溶解能力、反应活性及热力学性质。

例如， DFT计算表明，高氯酸盐对咪唑 N 具有更好的吸附能（−162.58 kJ/mol），突出了其对其他 N 和 O 官能团的潜在选择性。PIL-GAC 在 25 °C 时的最大吸附容量（Qm）为 300.05 mg/g，比原始 GAC 高 12 倍，优于以前报道的吸附剂。此外，DFT能分析电荷转移和轨道杂化，为离子液体在催化反应中的活性提供理论依据。

2、分子动力学（MD）

DOI: 10.1016/j.cej.2021.129168

分子动力学基于经典力学，模拟离子液体中离子和分子的动态行为，揭示扩散系数、径向分布函数（RDF）和分子取向等特性。MD能捕获温度、压力和溶剂对离子液体结构的影响。

例如，通过QC计算和MD模拟揭示了分子水平的微观机理，结果表明，同时具有最小阳离子和阴离子尺寸的IL（即[EMIM][BF4]）同时对应于最强的氢键（HB）H₂O-阴离子和最强的HB相互作用以及H₂O-阳离子的范德华相互作用。

3、从头算分子动力学（AIMD）

DOI: 10.1021/acscatal.5c01833

从头算分子动力学结合量子力学和经典动力学，实时模拟离子液体中电子和原子的动态行为，特别适合研究离子液体在复杂环境中的反应性。AIMD能揭示离子液体与溶质分子的动态相互作用，如分子解离或界面重构的过程。

例如，采用从头算分子动力学（AIMD）方法，通过研究实际CO₂RR条件下O-H和C=O键长变化的动态结构演化，研究溶剂层对反应中间体的影响。结果表明，在300 K的[Bmim][BF₄]条件下，在pH依赖性微环境中，CuPd NPs在模拟时间10 ps后保持稳定。[Bmim][BF₄]的pH依赖性微环境在设计C-N和C-C偶联的高性能催化剂中起着重要作用。

离子液体作为一类独特的液态盐类，凭借其低挥发性、可调性和高稳定性，在化学、能源和环境领域具有广泛应用前景。密度泛函理论、分子动力学和从头算分子动力学等计算方法通过解析电子结构、动态行为和反应路径，深化了离子液体微观机制的理解。

这些研究不仅推动了离子液体设计的优化，还为绿色化学、能源储存和环境治理等领域的技术创新提供了支持。未来，计算方法的进步将进一步提升离子液体的性能和应用范围。

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