Hvad er ioniske væsker?

Ioniske væsker (ILS) er en unik klasse af kemiske forbindelser, der udelukkende består af ioner - positivt ladede kationer og negativt ladede anioner - der findes i flydende form ved eller nær stuetemperatur. I modsætning til konventionelle opløsningsmidler, der ofte er molekylære væsker, er ioniske væsker salte, der forbliver flydende under 100 ° C, og mange ved stuetemperatur. Denne usædvanlige egenskab giver dem forskellige fysisk -kemiske egenskaber, hvilket gør dem til et fokus på voksende interesse for kemi, materialevidenskab og forskellige industrielle anvendelser.

Hvad er nøjagtigt Ioniske væsker ?

Ioniske væsker er salte, der smelter ved temperaturer, der typisk er under 100 ° C, med mange resterende væske ved omgivelsesforhold (ca. 25 ° C). De dannes ved at kombinere voluminøse og ofte asymmetriske organiske kationer med en række uorganiske eller organiske anioner. Den store størrelse og ladningsdelokalisering i ionerne sænker smeltepunktet markant sammenlignet med traditionelle salte som natriumchlorid.

Et typisk ionisk flydende molekyle består af:

Kationer: Almindeligt imidazolium, pyridinium, ammonium, phosphonium eller sulfoniumbaserede strukturer.

Anioner: Eksempler inkluderer halogenider (cl⁻, br⁻), tetrafluoroborate (bf₄⁻), hexafluorophosphat (pf₆⁻), bis (trifluormethylsulfonyl) imid (tf₂n⁻) og andre.

Deres ioniske natur fører til stærke coulombiske interaktioner, men deres asymmetri og steriske hindring forhindrer dem i at krystallisere let, hvilket resulterer i en flydende tilstand ved relativt lave temperaturer.

Nøgleegenskaber ved ioniske væsker

Ioniske væsker udviser adskillige karakteristiske egenskaber, der adskiller dem fra traditionelle molekylære opløsningsmidler:

Typer af ioniske væsker

Ioniske væsker er kategoriseret baseret på deres kemiske struktur, arten af ​​ioner og specifikke anvendelser:

Stuetemperatur ioniske væsker (RTILS)

Væske ved eller nær 25 ° C.

Eksempler: 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborat ([BMIM] [BF₄]).

Ioniske væsker med høj temperatur

Væsker, men med smeltepunkter mellem 100 ° C og 200 ° C.

Protiske ioniske væsker

Dannet ved protonoverførsel mellem en Brønsted -syre og base.

Udstilling af egenskaber som hydrogenbinding.

Aprotiske ioniske væsker

Inddrag ikke protonoverførsel.

Ofte mere stabil termisk og kemisk.

Opgavespecifikke ioniske væsker (TSILS)

Designet med funktionelle grupper, der er skræddersyet til specifikke reaktioner eller adskillelser.

Polymeriske ioniske væsker (PIL'er)

Ioniske væsker polymeriserede til faste eller gelformer til avancerede materialer.

Fordele ved ioniske væsker

Kombinationen af ​​unikke egenskaber gør ioniske væsker, der er overlegen for konventionelle opløsningsmidler eller materialer på mange måder:

Anvendelser af ioniske væsker

Ioniske væsker har fundet anvendelser på tværs af en bred vifte af felter på grund af deres alsidige egenskaber:

1. Grøn kemi og opløsningsmidler

Udskiftning af flygtige organiske opløsningsmidler (VOC'er) i kemiske synteser.

Bruges som reaktionsmedier i organisk syntese, katalyse og enzymatiske processer.

Forbedret selektivitet og udbytte i mange reaktioner.

2. elektrokemiske enheder

Elektrolytter i batterier (lithium-ion, natrium-ion), superkapacitorer og brændselsceller.

Elektroplettering og elektrodeposition med kontrolleret morfologi.

Sensorer og elektrokemisk detektion.

3. separationsprocesser

Gasfangst og adskillelse, såsom co₂ -optagelse fra røggasser.

Ekstraktion af metaller og sjældne jordelementer.

Kromatografiske og membranseparationsteknikker.

4. bioteknologi og farmaceutiske stoffer

Stabilisering og solubilisering af biomolekyler.

Lægemiddelforsyningssystemer og formulering.

Enzymkatalyse i ioniske flydende medier.

5. Materialsvidenskab

Syntese af nanomaterialer og polymerer.

Skabeloner til porøse materialer og ioniske flydende krystaller.

Smøremidler og tilsætningsstoffer til tribologi.

Sådan bruges ioniske væsker

Brug af ioniske væsker kræver opmærksomhed på deres fysiske og kemiske karakter:

Håndtering: På grund af deres lave volatilitet er inhalationsrisiko minimal, men handsker og øjenbeskyttelse anbefales for at undgå hudkontakt.

Opløsning: Ioniske væsker kan opløse forskellige stoffer, men kan kræve omrøring eller opvarmning.

Blanding: De kan blandes med molekylære opløsningsmidler eller bruges pænt afhængigt af applikationen.

Katalyse: Ofte anvendt som opløsningsmidler og katalysatorer samtidigt; Reaktionsbetingelser kan afvige fra traditionelle opløsningsmidler.

Gendannelse: Kan genvindes ved destillation af produkter, ekstraktion eller faseseparation til genbrug.

Sådan opbevares ioniske væsker

Korrekt opbevaring sikrer lang levetid og opretholder deres egenskaber:

Ioniske væsker udviser generelt god kemisk stabilitet, men kan forringes ved langvarig eksponering for vand, luft eller lys afhængigt af deres struktur.

Fremtidig udvikling og tendenser

Området med ioniske væsker udvikler sig hurtigt, drevet af behovet for bæredygtige teknologier og nye materialer. Nogle fremtidige tendenser inkluderer:

Design af mere opgavespecifikke ioniske væsker: Skræddersy ioniske væsker til præcise kemiske eller industrielle behov, såsom CO₂ -indfangning eller farmaceutisk syntese.

Bionedbrydeligt og biobaserede ioniske væsker: Udvikling af ioniske væsker afledt af vedvarende ressourcer for at forbedre miljømæssig kompatibilitet.

Hybridmaterialer: Kombination af ioniske væsker med polymerer, nanopartikler eller membraner for at skabe avancerede funktionelle materialer.

Opskalering og kommercialisering: At overvinde omkostninger og produktionsudfordringer for at muliggøre udbredt industriel brug.

Energilagring og konvertering: Forbedring af ydelsen af ​​batterier, superkapacitorer og brændselsceller ved hjælp af ioniske flydende elektrolytter.

Biomedicinske anvendelser: Udvidelse af brugen af ​​ioniske væsker til lægemiddelafgivelse, vævsteknik og diagnostik.

Beregningsdesign: Brug af maskinlæring og molekylær modellering til at forudsige og designe ioniske væsker med optimale egenskaber.

Oversigt

Ioniske væsker repræsenterer en revolutionær klasse af flydende salte med usædvanlige egenskaber, der har brede anvendelser på tværs af kemi, energi, materialer og bioteknologi. Deres evne til at være skræddersyet til specifikke opgaver kombineret med miljømæssige og sikkerhedsfordele placerer dem som nøglekomponenter i at fremme grønne teknologier og innovative industrielle processer. Efterhånden som forskningen skrider frem, og produktionsomkostningerne falder, forventes ioniske væsker at blive mere og mere integreret i bæredygtig videnskabelig og kommerciel udvikling over hele verden.