功能化離子液體的誕生決定了離子液體將會具有廣闊的應用前景。
新世紀以來室溫離子液體的研究進展日新月異。2000年,北大西洋公約組織于召開了有關離子液體的專家會議;歐盟委員會通過了一個有關離子液體的3年計劃;日本、韓國也相繼投入大量經費研究。
我國的離子液體研究較晚。目前,中國科學院蘭州化學物理研究所西部生態綠色化學研究發展中心、北京大學綠色催化實驗室、華東師范大學離子液體研究中心等機構陸續加大對離子液體的研究。華東師范大學離子液體研究中心目前已經能夠工業化量產多種咪唑類離子液體。
離子液體開發者—德國Solvent Innovation公司計劃推出數以噸計的商品。Solvent Innovation公司也正在開發一系列的離子液體,以取代對環境有害的溶劑。其Ecoeng商標的無鹵素離子液體出售量達1T的該系列包括1-烷基-3-甲基咪唑硫酸酯來取代鹵化的溶劑。Ecoeng系列將提供更為綠色的產品和工藝,今后幾年內僅有.2或3種離子液體達到數噸數量的工業生產,可育都是不含鹵族原子的。近來在波士頓美國化學學會的離子液體開發組正討論其商業計劃。
綠色溶劑
離子液體不會蒸發,所以在化學實驗過程中不會產生對大氣造成污染的有害氣體,而且離子液體可以反復多次使用并且使用方便。此外,用離子液體做催化劑還可加速化學反應的過程。
離子液體在分離純化、化學反應、材料制備等方面有望取代傳統有機溶劑實現“綠色化工”,并且可以提高產物收率和選擇性,但目前應用水平大多處于實驗室研究階段,離子液體在工業上大規模的應用需要解決以下問題:如熱力學數據、動力學數據的測定,離子液體傳質、傳熱模型的建立以及大幅度降低離子液體成本、選用或研制低黏度或黏溫效應大的離子液體、開發更易回收使用的離子液體等。
酶催化劑
離子液體的發明者梅斯等人近來發現,離子液體不僅是一種綠色溶劑,它還可用作新材料生產過程中的酶催化劑。威爾克斯近來還發現,離子液體還可以用于處理廢舊輪胎,回收其中的聚合物。科學家近來的研究成果還表明,用離子液體可有效地提取工業廢氣中的二氧化碳。
當前的有機溶劑中主要是分子,但在離子液體里不存在電中性的分子,而是全部的陰離子和陽離子,在零下100℃至200℃之間均呈液態,具有良好的熱穩定性和導電性,在很大程度上允許動力學控制;離子液體對大多數無機物、有機物和高分子材料來說是一種優良的溶劑;表現出酸性甚至超強酸性質,使得它不僅可以作為溶劑使用,而且還可以作為某些反應的催化劑使用,這些催化活性的溶劑避免了額外的可能有毒的催化劑或可能產生大量廢棄物的缺點;離子液體一般不會成為蒸汽,所以在化學實驗過程中不會產生對大氣造成污染的有害氣體;價格相對便宜,多數離子液體對水具有穩定性,容易在水相中制備得到;離子液體還具有優良的可設計性,可以通過分子設計獲得特殊功能的離子液體。總之,離子液體的無味、無惡臭、無污染、不易燃、易與產物分離、易回收、可反復多次循環使用、使用方便等優點,是傳統揮發性溶劑的理想替代品,它有效地避免了傳統有機溶劑的使用所造成嚴重的環境、健康、安全以及設備腐蝕等問題,為名副其實的、環境友好的綠色溶劑。適合于當前所倡導的清潔技術和可持續發展的要求,已經越來越被人們廣泛認可和接受。
化學反應
離子液體已經在諸如聚合反應、選擇性烷基化和胺化反應、酰基化反應、酯化反應、化學鍵的重排反應、室溫和常壓下的催化加氫反應、烯烴的環氧化反應、電化學合成、支鏈脂肪酸的制備等方面得到應用,并顯示出反應速率快、轉化率高、反應的選擇性高、催化體系可循環重復使用等優點。此外,離子液體在溶劑萃取、物質的分離和純化、廢舊高分子化合物的回收、燃料電池和太陽能電池、工業廢氣中二氧化碳的提取、地質樣品的溶解、核燃料和核廢料的分離與處理等方面也顯示出潛在的應用前景。
從理論上講離子液體可能有1萬億種,化學家和生產企業可以從中選擇所需要的離子液體。目前,對離子液體的合成與應用研究主要集中在如何提高離子液體的穩定性,降低離子液體的生產成本,解決離子液體中高沸點有機物的分離以及開發既能用作催化反應溶劑,又能用作催化劑的離子液體新體系等領域。隨著人們對離子液體不斷加深認識,相信離子液體綠色溶劑的大規模工業應用并不遙遠,離子液體會使化學工業變成一個無污染高效率的新型科技產業。
其他應用前景
合成功能化離子液體是當前離子液體發展的一個重要課題,比如開發具有催化功能的離子液體、手性離子液體(應用于不對稱催化)等。
通過離子液體的研究與其他學科交叉,開發基于離子液體的新型材料,如儲能材料、光學材料、智能材料、電化學材料等,會是未來幾年研究的新熱點,而且將會擁有良好的應用前景和市場利潤空間。