چرا مایعات یونی در شیمی و مهندسی مدرن یک کلاس از مواد در حال تغییر بازی محسوب می شوند؟

در چشم انداز همیشه در حال تحول مواد پیشرفته ، مایعات یونی (ILS) به عنوان یک طبقه انقلابی از مواد ظاهر شده اند که از طبقه بندی های معمولی مایعات ، نمک ها و حلال ها سرپیچی می کنند. اما دقیقاً چه چیزی مایعات یونی را بسیار منحصر به فرد می کند-و چرا آنها به طور فزاینده ای به عنوان یک سنگ بنای در توسعه فن آوری های پایدار ، شیمی سبز و سیستم های الکتروشیمیایی نسل بعدی شناخته می شوند؟

در اساسی ترین سطح ، یک مایع یونی یک است نمک کاملاً از یونها تشکیل شده است این در حالت مایع زیر 100 درجه سانتیگراد ، اغلب در دمای اتاق باقی می ماند. بر خلاف نمک های سنتی مانند کلرید سدیم ، که برای ذوب شدن به دمای بالا نیاز دارند ، مایعات یونی به طور معمول از آن ساخته می شوند کاتیونهای ارگانیک حجیم و نامتقارن (مانند ایمیدازولیوم ، پیریدینیوم ، آمونیوم) آنیونهای معدنی یا ارگانیک (مانند bis (trifluoromethylsulfonyl) imide ، pf₆⁻ ، bf₄⁻ یا هالیدها). شکل های نامنظم و هماهنگی ضعیف بین یونها از تبلور جلوگیری می کنند و منجر به نقاط ذوب کم مشخص آنها می شوند.

خصوصیات فیزیکوشیمیایی مایعات یونی به اندازه ساختارهای مولکولی قابل تنظیم متنوع است. یکی از مشخص ترین ویژگی های آنها این است فشار بخار ناچیز ، که باعث می شود آنها به عنوان گزینه های خوش خیم از نظر محیط زیست برای حلال های ارگانیک سنتی ، آنها را غیر فرار و در نتیجه جذاب کنند. این ویژگی به تنهایی آنها را در خط مقدم قرار داده است ابتکارات شیمی سبز ، جایی که حذف ترکیبات آلی فرار (VOC) اولویت است.

فراتر از نمایشگاه مایعات غیر فرار و یونی ثبات حرارتی و الکتروشیمیایی استثنایی بشر بسیاری از IL ها می توانند در دمای بیش از 200 درجه سانتیگراد بدون تجزیه کار کنند ، و ویندوزهای الکتروشیمیایی گسترده آنها (تا 6 ولت در برخی از سیستم ها) آنها را در برنامه های کاربردی مانند الکترولیت های ایده آل قرار می دهد باتری های لیتیوم یون ، ابررسانا و آبکاری فلزی بشر ماهیت یونی ذاتی آنها همچنین هدایت یونی بالایی را نشان می دهد ، به ویژه در سیستمهایی که حلال های معمولی در شرایط سخت تبخیر یا تخریب می شوند.

یکی دیگر از مزایای مهم مایعات یونی در آنها نهفته است قابلیت تنظیم شیمیایی بشر با اصلاح کاتیون یا آنیون ، دانشمندان می توانند خواص خوبی مانند ویسکوزیته ، قطبیت ، آبگریز یا حتی توانایی هماهنگی را تنظیم کنند. این باعث ایجاد ایجاد شده است مایعات یونی خاص وظیفه (TSILS) طراحی شده برای نقش های بسیار انتخابی-به عنوان مثال ، در ضبط CO₂ ، پردازش زیست توده یا کاتالیز انتقال فلزی. مدولار ILS آنها را به نوعی "حلال طراح" برای محیط های شیمیایی پیچیده تبدیل می کند.

در زمینه جدایی و استخراج ، مایعات یونی مزایای بسیاری از حلال های سنتی را ارائه می دهند. توانایی آنها برای حل کردن طیف گسترده ای از ترکیبات آلی و معدنی ، همراه با غیرقابل تحمل آنها با آب یا هیدروکربن ها (بسته به ترکیب) ، سیستم های استخراج مایع بسیار کارآمد را قادر می سازد. IL برای استفاده شده است بازیابی عنصر خاکی نادر ، حذف ترکیبات گوگرد از سوخت ها و حتی استخراج مولکول های فعال زیستی از گیاهان .

در تجزیه ، هم به عنوان حلال ها و هم به عنوان کاتالیزور ، IL در حالی که جداسازی محصول را ساده می کند ، انتخاب واکنش و عملکرد را افزایش می دهد. بسیاری از مجتمع های فلزی در حال انتقال پایداری و فعالیت در رسانه های IL را نشان می دهند. نکته قابل توجه ، از مایعات یونی در هیدروژناسیون نامتقارن ، آلکیللاسیون و واکنشهای اتصال متقابل ، اغلب در شرایط خفیف تر از سیستم های معمولی.

یکی از مهمترین کاربردهای مایعات یونی در قلمرو است دستگاه های الکتروشیمیایی و ذخیره انرژی بشر الکترولیتهای مبتنی بر IL در باتری های فلزی لیتیوم ، باتری های یون سدیم ، سلولهای خورشیدی حساس به رنگ (DSSC) و حتی الکترولیت های حالت جامد بشر عدم تحرک الکتروشیمیایی آنها ، عدم مشکل و تحمل حرارتی مزایای مهمی را برای بهبود ایمنی و عملکرد سیستم های انرژی ارائه می دهد.

با وجود وعده آنها ، مایعات یونی بدون چالش نیستند. بسیاری از IL ها هنوز هم برای سنتز در مقیاس گران هستند و برخی از آنها رنج می برند ویسکوزیته زیاد ، که نرخ انتقال انبوه را محدود می کند. علاوه بر این ، در حالی که IL ها اغلب به عنوان "حلال های سبز" تبلیغ می شوند. تجزیه پذیری و سمیت بسته به ساختار بسیار متفاوت است ، و تأثیرات زیست محیطی طولانی مدت منطقه ای از تحقیقات فعال است. پرداختن به این نگرانی ها از طریق مسیرهای سنتز پایدارتر و تجزیه و تحلیل جامع چرخه زندگی برای پذیرش گسترده تر ضروری خواهد بود.

آینده مایعات یونی به طور فزاینده ای بین رشته ای است. در علم مواد ، IL ها به عنوان حلال و الگو در سنتز نانومواد ، چارچوب های فلزی-آلی (MOF) و پلیمرهای رسانا مورد استفاده قرار می گیرند. در بیوتکنولوژی ، آنها تثبیت آنزیم ، استخراج پروتئین و حتی دستکاری DNA را در شرایط غیر سنتی فعال می کنند. نقش احتمالی آنها در ضبط و استفاده از کربن (CCU) فن آوری ها نیز به ویژه با توجه به میل آنها به مقاومت در برابر حرارتی و مقاومت حرارتی بالا ، شتاب می گیرند. $ $