مهمترین کاربردهای صنعتی و تحقیقاتی 1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس(فلوروسولفونیل) ایمید چیست؟

1-اتیل-3- متیل ایمیدازولیوم بیس (فلوروسولفونیل) ایمید - معمولاً به اختصار [EMIM][FSI] - یک مایع یونی است که در دو دهه گذشته توجه علمی و صنعتی شدیدی را به خود جلب کرده است. مایعات یونی نمک هایی هستند که به شکل مایع در دمای اتاق یا نزدیک به آن وجود دارند، و [EMIM][FSI] به دلیل ترکیبی استثنایی از خواص: ویسکوزیته بسیار کم، پنجره پایداری الکتروشیمیایی گسترده، رسانایی یونی بالا، فشار بخار ناچیز، و پایداری حرارتی خوب، در این خانواده وسیع برجسته است. این ویژگی‌ها آن را به یکی از متنوع‌ترین و کاربردی‌ترین مایعات یونی موجود تبدیل می‌کند، با کاربردهای فعال ذخیره‌سازی انرژی، سنتز الکتروشیمیایی، علم روان‌کاری و تحقیقات مواد پیشرفته.

خواص فیزیکی و شیمیایی اصلی که استفاده از آن را امکان پذیر می کند

درک اینکه چرا [EMIM][FSI] بسیار گسترده است، نیاز به تصویر واضحی از آنچه که آن را از نظر فیزیکی و شیمیایی متمایز می کند، دارد. آنیون بیس (فلوروسولفونیل) ایمید - که FSI- نیز نوشته شده است - یک آنیون با هماهنگی ضعیف و به شدت غیرمحلی است که تنها به صورت ضعیف با کاتیون ایمیدازولیوم برهمکنش می کند. این جفت شدن ضعیف یون علت اصلی ویسکوزیته بسیار کم این ترکیب در مقایسه با بسیاری از مایعات یونی دیگر است. در 25 درجه سانتی گراد، [EMIM][FSI] ویسکوزیته دینامیکی تقریباً دارد 18-22 mPa·s ، که به اندازه کافی کم است تا امکان تحرک معقول یون را بدون نیاز به دماهای بالا فراهم کند.

رسانایی یونی آن در دمای اتاق در محدوده ای قرار می گیرد 14-18 mS/cm ، یکی از بالاترین های ثبت شده برای هر مایع یونی خالص است. این نتیجه مستقیم ویسکوزیته کم و چگالی بار بالای آنیون FSI- است. پنجره الکتروشیمیایی - محدوده ولتاژی که ترکیب در آن نه اکسید می شود و نه کاهش می یابد - بسته به مواد الکترود و شرایط اندازه گیری تقریباً بین 4.5 تا 5.5 ولت است. این پنجره وسیع چیزی است که [EMIM][FSI] را به عنوان یک محیط الکترولیت برای کاربردهای الکتروشیمیایی ولتاژ بالا بسیار جذاب می کند. نقطه ذوب آن بسیار کمتر از 0 درجه سانتیگراد است (مقادیر گزارش شده از -18 درجه سانتیگراد تا -22 درجه سانتیگراد متغیر است)، به این معنی که در اکثر محدوده های دمایی عملیاتی مربوط به دستگاه های دنیای واقعی مایع باقی می ماند.

الکترولیت در باتری های لیتیوم یون و نسل بعدی

مهم ترین کاربرد تجاری [EMIM][FSI] به عنوان یک جزء الکترولیت در سیستم های باتری قابل شارژ است. باتری‌های لیتیوم یونی معمولی از الکترولیت‌های کربنات آلی - اتیلن کربنات، دی متیل کربنات و ترکیبات مرتبط - استفاده می‌کنند که قابل اشتعال هستند و در دمای بالا یا پس از سوء استفاده از سلول‌ها مستعد تجزیه هستند. مایعات یونی یک جایگزین غیر قابل اشتعال و از نظر حرارتی پایدار ارائه می دهند و [EMIM][FSI] یکی از مناسب ترین گزینه ها است زیرا ویسکوزیته کم آن به یون های لیتیوم اجازه می دهد تا با سرعت کافی برای شارژ و تخلیه عملی چرخه تخلیه از طریق الکترولیت مهاجرت کنند.

در تحقیقات باتری لیتیوم، [EMIM][FSI] معمولاً به‌عنوان حلال میزبان استفاده می‌شود که در آن نمک لیتیوم - که معمولاً لیتیوم بیس (فلوروسولفونیل) ایمید (LiFSI)) در آن حل می‌شود - در غلظت‌های بین 0.5 M تا 3.2 M حل می‌شود. در غلظت‌های نمک لیتیوم بالا، این الکترولیت به‌طور متمرکز با الکترولیت الکترونیکی بهبودیافته تشکیل می‌دهد. آندها، که در غیر این صورت توسط کاتیون ایمیدازولیوم لایه برداری می شوند. مطالعات چرخه پایدار سلول‌های کامل گرافیت/LiFePO4 و گرافیت/NMC را با استفاده از الکترولیت‌های مبتنی بر [EMIM][FSI] در دماهای 20- تا 60 درجه سانتی‌گراد نشان داده‌اند، که در هر دو حد این محدوده عملکرد بهتری از الکترولیت‌های کربنات دارند.

کاربردهای باتری یون سدیم و یون پتاسیم

فراتر از لیتیوم، [EMIM][FSI] به طور فعال به عنوان یک محیط الکترولیت برای باتری‌های یون سدیم و پتاسیم-یون در حال بررسی است - دو شیمی پس از لیتیوم به عنوان جایگزین‌های کم‌هزینه برای ذخیره‌سازی انرژی ثابت در حال توسعه هستند. نمک‌های سدیم و پتاسیم آنیون FSI- به آسانی در [EMIM][FSI] حل می‌شوند و الکترولیت‌های حاصل از آبکاری برگشت‌پذیر و جداسازی این فلزات در شرایطی که دستیابی به آن در حلال‌های استاندارد کربنات یا اتر دشوار است، پشتیبانی می‌کنند. ماهیت غیر قابل اشتعال الکترولیت مایع یونی به ویژه برای ذخیره سازی ثابت با فرمت بزرگ که ایمنی در برابر آتش یک محدودیت طراحی اولیه است، جذاب است.

ابرخازن و الکترولیت خازن الکتروشیمیایی

خازن‌های الکتروشیمیایی دو لایه (EDLC) که معمولاً ابرخازن‌ها یا فوق‌خازن‌ها نامیده می‌شوند، انرژی را با جذب یون‌ها در سطح الکترودهای کربنی با سطح بالا ذخیره می‌کنند. حداکثر چگالی انرژی قابل دستیابی در مقیاس EDLC با مربع ولتاژ عملیاتی، به این معنی که گسترش پنجره ولتاژ به طور مستقیم انرژی ذخیره شده در واحد جرم را چند برابر می کند. الکترولیت‌های آبی عملکرد EDLC را تقریباً به 1 ولت محدود می‌کنند، در حالی که الکترولیت‌های آلی این ولتاژ را تا حدود 2.7 ولت افزایش می‌دهند. [EMIM][FSI]، با پنجره الکتروشیمیایی آن بیش از 4 ولت در سلول‌های الکترود کربنی، دستگاه‌های EDLC را قادر می‌سازد تا در 3.5 ولت یا بالاتر ، چگالی انرژی قابل دستیابی را در مقایسه با الکترولیت های آلی مبتنی بر استونیتریل تقریباً دو برابر می کند.

ویسکوزیته پایین [EMIM][FSI] در این زمینه بسیار مهم است زیرا به یون‌ها اجازه می‌دهد تا به طور موثر در منافذ باریک کربن فعال و مواد الکترود کربن مشتق شده از کاربید نفوذ کنند، حتی در دماهای زیر محیط. گروه‌های تحقیقاتی سلول‌های EDLC مبتنی بر [EMIM][FSI] را با مقادیر انرژی ویژه بیش از ۴۰ وات ساعت بر کیلوگرم در سطح دستگاه نشان داده‌اند - معیاری که به محدوده عملکرد پایین‌تر باتری‌های سرب اسیدی نزدیک می‌شود و در عین حال چگالی توان و مزایای عمر چرخه مشخصه ذخیره‌سازی نوع خازن را حفظ می‌کند.

رسوب الکتریکی فلزات و نیمه هادی ها

رسوب الکتریکی - فرآیند کاهش یون‌های فلزی از محلول روی سطح الکترود برای تشکیل یک لایه نازک یا پوشش - در الکترولیت‌های آبی به شدت محدود می‌شود زیرا آب کمتر از 1.23 ولت الکترولیز می‌کند. پتانسیل ها زیر حد تکامل هیدروژن قرار دارند. [EMIM][FSI] نمک‌های پیش‌ساز مناسب برای چندین مورد از این عناصر را حل می‌کند و پنجره الکتروشیمیایی مورد نیاز برای کاهش آنها را بدون واکنش‌های تجزیه الکترولیت رقیب فراهم می‌کند.

رسوب الکتریکی آلومینیوم از الکترولیت های مبتنی بر [EMIM][FSI] حاوی کلرید آلومینیوم (AlCl3) در دمای اتاق با راندمان جریان خوب و مورفولوژی فیلم قابل کنترل نشان داده شده است. پوشش‌های آلومینیومی رسوب‌شده برای کاربردهای محافظت در برابر خوردگی که آبکاری کرومات آبی یا نیکل معمولی به دلایل زیست‌محیطی حذف می‌شوند، نویدبخش است. لایه‌های نازک سیلیکون و ژرمانیوم رسوب‌شده از الکترولیت‌های مبتنی بر [EMIM][FSI] به‌عنوان مواد آند برای کاربردهای باتری مورد بررسی قرار گرفته‌اند، جایی که مسیر رسوب‌گذاری الکترونی جایگزینی برای روش‌های رسوب‌گذاری خلاء در دمای بالا ارائه می‌کند.

سنتز نیمه هادی و نانوساختار

محیط حلال‌پذیری منحصربه‌فرد [EMIM][FSI] همچنین سنتز نانوساختارهای نیمه‌رسانا - نقاط کوانتومی، نانوسیم‌ها و لایه‌های نازک - با مورفولوژی و ترکیب کنترل‌شده را امکان‌پذیر می‌سازد. مایع یونی به طور همزمان به عنوان حلال، عامل هدایت کننده ساختار و محیط الکتروشیمیایی عمل می کند و هسته و رشد مواد رسوبی را از طریق ساختار سطحی سازمان یافته خود در سطوح الکترود هدایت می کند. نیمه هادی های ترکیبی مانند CdTe و Cu2ZnSnS4 (CZTS)، مربوط به تولید سلول های خورشیدی، از الکترولیت های مبتنی بر [EMIM][FSI] با کنترل ترکیبی که به راحتی در سیستم های آبی به دست نمی آید، رسوب کرده اند.

استفاده به عنوان یک حلال و محیط واکنش در سنتز شیمیایی

مایعات یونی به عنوان جایگزین های "سبز" برای حلال های آلی فرار در سنتز شیمیایی معرفی شده اند زیرا فشار بخار ناچیز آنها انتشار حلال را در طول واکنش ها حذف می کند. [EMIM][FSI] در این فضای کاربردی شرکت می‌کند، به‌ویژه برای واکنش‌هایی که از خواص حلال‌پذیری خاص آن سود می‌برند یا در جایی که پایداری الکتروشیمیایی آن اجازه می‌دهد به عنوان حلال و الکترولیت ترکیبی برای الکتروسنتز استفاده شود.

الکتروسنتز آلی - با استفاده از الکتریسیته به جای اکسیدان ها یا احیا کننده های شیمیایی برای ایجاد دگرگونی های آلی - یک منطقه مورد علاقه صنعتی در حال رشد برای تولید واسطه های دارویی و مواد شیمیایی خوب است. [EMIM][FSI] هم به‌عنوان حلال و هم به‌عنوان الکترولیت پشتیبان در چنین واکنش‌هایی عمل می‌کند، و نیاز به حل کردن نمک جداگانه در یک حلال آلی را از بین می‌برد و جداسازی محصول پایین‌دست را ساده می‌کند. ویسکوزیته کم آن نسبت به سایر مایعات یونی، انتقال جرم را در راکتور الکتروشیمیایی بهبود می بخشد، بازده جریان را افزایش می دهد و زمان واکنش را کاهش می دهد.

در کاهش الکتروشیمیایی CO2 - واکنشی که برای تبدیل دی اکسید کربن جذب شده به سوخت یا مواد شیمیایی مفید است - [EMIM][FSI] به عنوان یک محیط بسیار موثر شناخته شده است. کاتیون ایمیدازولیوم به طور فعال در تثبیت آنیون رادیکال CO2 شرکت می کند، پتانسیل اضافی مورد نیاز برای کاهش CO2 را کاهش می دهد و انتخاب پذیری نسبت به محصولات مونوکسید کربن یا فرمت را در مقایسه با الکترولیت های آبی بهبود می بخشد.

روغن کاری و کاربردهای تریبولوژیکی

پایداری حرارتی، عدم فراریت و میل ترکیبی سطحی قابل تنظیم [EMIM][FSI] آن را به یک ماده افزودنی روان کننده و روان کننده تمیز برای کاربردهای تریبولوژیکی سخت تبدیل کرده است. بر خلاف روان کننده های نفتی، در شرایط خلاء تبخیر نمی شود، بنابراین برای استفاده در مکانیسم های فضایی، محفظه های خلاء و یاتاقان های ابزار دقیق که در آن گازهای خروجی باید به حداقل برسد، مناسب است. مطالعات [EMIM][FSI] به‌عنوان روان‌کننده روی کنتاکت‌های کشویی فولاد روی فولاد، کاهش قابل‌توجهی در ضریب اصطکاک و حجم سایش در مقایسه با سطوح روغن‌کاری نشده و روان‌کننده‌های روغن معدنی مرجع نشان داده‌اند.

آنیون FSI- با تشکیل یک تریبوفیلم محافظ بر روی سطوح فلزی تحت شرایط برشی به عملکرد تریبولوژیکی کمک می کند. محتوای فلوئور آنیون نقشی مشابه با ذرات PTFE (پلی تترا فلوئورواتیلن) ​​در فرمول‌بندی‌های روان‌کننده معمولی ایفا می‌کند و یک شیمی سطحی کم انرژی را ارائه می‌کند که سایش چسب را کاهش می‌دهد. برای آلیاژهای آلومینیوم و فلزات نرم که محافظت از آنها با شیمی افزودنی گوگرد-فسفر (که می تواند سطوح غیر آهنی را خورده کند) دشوار است، [EMIM][FSI] یک جایگزین سازگار شیمیایی ارائه می دهد.

خلاصه ای از حوزه های کاربردی کلیدی

جدول زیر کاربردهای اولیه [EMIM][FSI] را در کنار ویژگی خاصی که آن را برای هر دامنه برنامه مناسب می‌کند، ادغام می‌کند.

رسیدگی، ایمنی، و ملاحظات عملی

در حالی که [EMIM][FSI] نسبت به حلال‌های آلی فراری که اغلب جایگزین آن می‌شود بسیار خطرناک‌تر است، اما بدون نیاز به رسیدگی نیست. این ترکیب رطوبت سنجی است - آب را از هوای محیط جذب می کند - و آب محلول بر پنجره الکتروشیمیایی، ویسکوزیته و هدایت آن تأثیر می گذارد. برای کاربردهای الکتروشیمیایی که نیاز به عملکرد در حدود پنجره پایداری دارند، [EMIM][FSI] باید در خلاء در دمای 60 تا 80 درجه سانتیگراد با هم زدن خشک شود تا محتوای آب کمتر شود. 20 پی پی ام همانطور که با تیتراژ کارل فیشر اندازه گیری شد.

• برای به حداقل رساندن جذب رطوبت و جلوگیری از هرگونه واکنش با CO2 اتمسفر که می تواند ترکیب مایع یونی را در مدت زمان طولانی تغییر دهد، در ظروف در بسته و در فضای بی اثر (آرگون یا نیتروژن) نگهداری کنید.
• از تماس طولانی مدت پوست خودداری کنید - در حالی که [EMIM][FSI] سمیت حاد کمی دارد، مایعات یونی به عنوان یک کلاس فعالیت بیولوژیکی را در سطح سلولی نشان می‌دهند، و داده‌های تجمعی قرار گرفتن در معرض هنوز توسط محققان بهداشت حرفه‌ای جمع‌آوری می‌شود.
• با ظروف شیشه ای و تجهیزات مورد استفاده با [EMIM][FSI] با دقت برخورد کنید - کشش سطحی کم آن به این معنی است که سطوح را به شدت خیس می کند و حذف کامل آن از سطوح متخلخل یا زبر بدون شستشوی کامل با حلال دشوار است.
• دفع باید از مقررات محلی برای مواد شیمیایی حاوی فلوئور پیروی کند - آنیون FSI- حاوی گروه های فلوروسولفونیل است که پس از سوزاندن محصولات جانبی حاوی فلوراید تولید می کند و نباید بدون تصفیه مناسب در جریان زباله های آبی استاندارد دفع شود.

همانطور که تحقیقات در مورد مایعات یونی به بلوغ خود ادامه می دهد و مسیرهای افزایش مقیاس برای تولید [EMIM][FSI] مقرون به صرفه تر می شود، شکاف بین عملکرد آزمایشگاهی و استقرار تجاری به طور پیوسته در حال بسته شدن است. ترکیبی از وسعت الکتروشیمیایی، ویسکوزیته کم و استحکام حرارتی، آن را به عنوان یکی از توجیه‌پذیرترین مایعات یونی از نظر فنی برای انتقال از تحقیقات دانشگاهی به عمل صنعتی در بخش‌های مختلف قرار می‌دهد.