离子液体（ILs）作为一类液态的有机盐，因其独特的物理化学性质和广泛的可调节性，在多个领域展现出巨大的应用潜力。离子液体究竟有哪些特殊性质？如何能够满足不同应用的需求？
什么是离子液体？离子液体（ILs）是一类完全由阴阳离子组成、且在室温或接近室温（100 ℃以下）呈液态的有机盐类。其本质是熔融盐的低温形态，但与传统高温熔融盐的关键区别在于结构不对称性、低熔点特性以及自离解机制。
https://doi.org/10.1007/s00706-024-03178-4
离子液体的液态特性主要源于其阳离子和阴离子之间的相互作用，这种相互作用既包括静电吸引，也包括范德华力等其他弱相互作用。因此，可以通过改变阳离子和阴离子的种类来调节离子液体的极性、粘度、电导率和溶解性等特性。
这种可调节性使得离子液体能够满足不同应用的需求。
常见离子液体类型
通常，离子液体的阳离子具有低对称性的大体积有机结构，这使得这些化合物具有较低的熔点。
下图展示了基于咪唑阳离子、吡咯烷阳离子、哌啶阳离子、鏻阳离子、吡啶阳离子、铵阳离子、锍阳离子、噻唑阳离子、胆碱阳离子和胍阳离子的一些阳离子结构。
根据一系列基于咪唑阳离子的离子液体所表现出的性质，发现随着阳离子尺寸的增大和不对称性的增加，离子液体的熔点降低。另一方面，随着烷基链支链的增加，离子液体的熔点升高。
http://dx.doi.org/doi:10.1016/j.progpolymsci.2013.04.002
离子液体的典型阴离子包括卤化物、四氯化铝酸根、四氟硼酸根、六氟磷酸根等。这些阴离子对离子液体与基底形成键合的能力以及它们发生水解等化学反应的倾向有显著影响。
通过改变阴离子，可以调节离子液体的疏水性、密度、粘度和溶剂化性质。根据阴离子的种类，离子液体被分为四大类：
（i）基于AlCl3和有机盐的离子液体，如[bmim]Cl；
（ii）基于BF4–、PF6–和SbF6–等阴离子的体系。
（iii）基于[CF3SO3]–、[(CF3SO2)2N]–、[Tf2N]–等阴离子的离子液体；
（iv）基于烷基硫酸根和烷基磺酸根等阴离子的离子液体。
第一类离子液体的路易斯酸性可以通过改变有机盐与AlCl3的相对比例来优化。然而，这类离子液体具有极强的吸湿性。
第二类离子液体相对中性且在空气中稳定，但与强路易斯酸（如AlCl3）接触时会发生放热反应。
第三类离子液体对这类反应更为稳定，通常具有低熔点和低粘度、高电导率、宽电化学窗口以及空气稳定性。
第四类离子液体相对廉价且不含氟原子，可以通过在常温条件下使有机碱与烷基磺酸酯反应来制备。
离子液体的应用
目前，具有多种不同性质的离子液体已经实现了商业化应用。与此同时，离子液体热物性数据库ILThermo作为一个可免费访问的网络平台，为全球研究人员提供了从离子液体热力学和输运性质实验研究文献中收集到的最新数据。
有学者利用深度学习模型，成功以较高的精度预测了多种离子液体的熔点。此外，有研究估计，仅考虑已知离子液体阳离子和阴离子的二元组合，可能的离子液体种类就多达1012种；若进一步研究三元体系，这一数量可能高达1018种。
https://doi.org/10 .1016/J.WATRES.2009.09.030
电化学领域的应用
离子液体因其独特的性质而被广泛应用于电化学领域，这些性质包括良好的离子导电性（高达0.1 S cm-1）、宽电化学窗口、高热稳定性、高粘度、宽液态范围以及可调节的溶剂性质。
电化学反应本质上是发生在离子液体/电极界面的过程，涉及电活性物种的扩散和电子转移过程，这些过程决定了离子液体在电化学应用中的性能。
离子液体的电化学性质高度依赖于电极界面处的电荷、极化、尺寸和分子间相互作用。
离子液体因其良好的离子导电性和宽电化学窗口而常常被应用于电极沉积。与高温熔盐不同，离子液体可以在室温下实现通常存在于水溶液中的金属的沉积。
自1985年首次报道了在氯化铝酸盐离子液体中锂的沉积—LiCl能溶解在含有一定过量AlCl3的弱酸性离子液体中，而在中性离子液体中LiCl是不溶的。
许多其他金属，如镓（Ga）、铟（In）、锡（Sn）、锑（Sb）、碲（Te）、钴（Co）、铜（Cu）和锌（Zn）等，也已在离子液体中成功实现了电极沉积。并且离子液体中的电极沉积避免了氢脆问题，从而得到了质量良好的金属。
https://doi.org/10.1039/B921469K
离子液体因其独特的电化学优势而成为电有机合成的有前景的介质。与化学合成不同，电合成使用的试剂更少，产生的副产物更少，并且在较温和的条件下进行。
通过调整电解质的性质、电极材料或施加的电位，还可以控制反应的速率、选择性和完成程度。
离子液体已被用于通过环氧化物与二氧化碳的环加成反应合成环状碳酸酯。亨利反应（Henry reaction）也已在离子液体中通过电化学方法在温和条件下诱导进行，获得了高收率的硝基醇。
此外，通过适合的单体的电化学氧化聚合可以制备导电聚合物。其他导电聚合物，如聚苯胺、聚吡咯和聚噻吩，也可通过在离子液体中的电化学聚合来合成。
https://doi.org/10.1016/j.elecom.2009.05.045
离子液体的卓越性能使其在电分析领域被用作催化剂或电催化活化剂。在电催化反应中引入离子液体作为反应介质、粘合剂和催化剂表面改性剂，可以改变反应的选择性、活性和稳定性。
使用离子液体[C4mim][BF4]作为电解质用于过渡金属（如Mo）上的氢氧化反应（HOR）时，其交换电流密度比Pt上的HOR增加了三倍。
https://doi.org/10.1016/j.jechem.2016.01.007
由于具有高导电性和适宜的粘度，离子液体也被作为粘合剂取代了传统非导电有机粘合剂，应用于碳糊电极（CPEs）的制备。
Wang等人使用基于吡啶的离子液体制备了一种离子液体-碳糊电极（IL-CPE），并观察到该电极的电化学性能显著提高。在碳糊电极中使用[(C4H9)2-bim]3[La(NO3)6]表现出对过氧化氢、溴酸盐、亚硝酸盐和三氯乙酸的还原反应良好的电催化活性。
绿色化学领域的应用
离子液体因其几乎可以忽略不计的蒸气压，也被广泛用作传统有机溶剂的绿色替代品，用于挥发性有机化合物（VOCs）。
与传统溶剂不同，离子液体可以根据特定应用进行微调，这也使它们获得了“设计型溶剂”这一术语。然而，在替代任何有机溶剂之前，必须监测离子液体与工艺操作单元的相容性。
离子液体的溶剂化性质在很大程度上取决于离子作为氢键受体和供体的能力以及阴离子电荷的局域化程度。
此外，离子液体的非配位但高度极性的特性已被证明可以提高各种反应的速率、产率和选择性。并且离子液体可以多次回收和再利用，这使得它们在许多情况下成为一种环境友好的选择。
沸石通常通过水热法合成，即将前驱体在含有结构导向剂（SDAs）的水中加热，在自生高压下进行反应。
有趣的是，离子液体已被用于沸石的合成，既作为溶剂又作为结构导向剂，这种方法被称为离子热合成。由于离子液体几乎没有挥发性，因此该方法比传统的水热法更安全，降低了高温下因降压而带来的风险。
另一方面，离子液体的使用稳定了金属氧化物中高能量表面的生长，从而导致其生长速度变慢，并在最终合成的材料中保留更多的活性位点。这使得ZnO颗粒呈现出不同寻常的形貌。
https://doi.org/10.1039/B510287A
新能源及分析领域的应用
在电池应用中，可用于构建光电化学太阳能电池、作为锂离子电池与电化学双电层电容器电池中的电解质。Pyr14FSI–LiTFSI电解质因其高电导率、低粘度和优异的界面稳定性，在倍率性能、循环稳定性和库仑效率方面表现最佳。
使用Pyr14FSI–LiTFSI电解质的锂离子电池表现出最佳性能，容量保持率为95%，平均极化为230 mV。
在25 mA g-1电流密度下，电池可提供高达165 mA h g-1的可逆容量；在250 mA g-1下，使用Pyr14FSI–LiTFSI电解质的电池仍可提供约105 mA h g-1的容量，且循环性能优异，库仑效率接近100%。
离子液体凭借其本质安全性、宽电化学窗口及可定制性，已成为高能量密度、长寿命电池体系的核心电解质候选者。
https://doi.org/10.1039/c6ee01295g
（室温）离子液体因其特殊的性质也常用于仪器分析应用，包括高效液相色谱分析、作为非水缓冲电泳中的电解质、作为萃取溶剂、在电分析中的引入剂、作为传感器以及在光谱分析中的应用。在常用的色谱技术中，像[bmim]Cl和[bmim][PF6]可以用作固定相。
总结
离子液体因其独特的性质和广泛的可调节性，在电化学、绿色化学、新能源和分析化学等领域展现出了巨大的应用前景。随着研究的不断深入和技术的逐步成熟，离子液体逐渐在更多领域实现突破，为现代科学技术的发展提供新的动力和解决方案。
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