我國科學家發文綜述離子液體構效關係

本報訊日前，《化學評論》在線出版了中國科學院過程工程研究所所長張鎖江院士課題組最新綜述文章Multiscale Studies on Ionic Liquids（《離子液體的多尺度研究》），文章介紹了離子液體構效研究最新進展。

張鎖江表示：「這是目前為止第一篇發布在《化學評論》上從多尺度認識離子液體的構效關係的綜述性文章，為推進離子液體的工業化提供重要的參考文獻和理論依據。」

離子液體經歷了近20年的發展，由於具有低熔點、高化學和熱穩定性、寬電化學窗口、性質可調等優良性質，在化學、物理、材料、航天、食品等多領域已經得到廣泛的應用，其價值和前景得到廣泛關注。然而，離子液體性質和應用取決於其內在微觀結構和離子間的相互作用。

張鎖江指出，時至今日，儘管已經發表了多篇與離子液體結構相關的綜述性文章，但這些文章都是從單一尺度認識離子液體，大多集中在離子液體分子結構上，少數涉及離子液體的介觀尺度結構。

化學理論以及計算機科學的發展，已經把化學工程帶到了多尺度研究的時代，不同尺度之間的關聯以及熱力學性質的準確預測成為重要的研究課題。張鎖江說：「離子液體工業化面臨的問題，也需要多尺度方法加以解決，而單元尺度（流動、傳遞和反應器設計）和系統集成（尺度）成為離子液體實現工業級應用的核心。」

課題組的這篇文章共分為8個部分，首先概括性地討論離子液體的結構組成，重點討論了結構—性質的構效關係，從而引發微觀和宏觀的直接的關聯認識，為離子液體的多尺度研究提供基礎。

結合本課題組的研究成果，文章主要討論4個尺度的結構，即分子尺度（molecular scale）、介觀尺度 （mesoscale）、單元尺度（unit scale）和系統集成（process integration）研究進展，全面介紹離子液體時空多尺度研究的現狀。針對每個不同尺度的結構，詳細地介紹了相關的計算模型和方法。「需要強調的是儘管多尺度研究集中在模擬和計算上，但實驗的方法也必不可少，在本文中也介紹了許多重要的實驗結果。」

在分子尺度方面，文章主要介紹了組成離子液體陰陽離子的結構和相互作用，結合課題組以前的研究成果，特別討論了離子液體的氫鍵和網路結構，以及對反應和性質的影響。介觀結構主要是指形成的尺度大於10nm的離子團簇，這些團簇的性質取決於離子液體內部的相互作用，主要是靜電作用和范德華力，並對離子液體的性質有重要的影響。在氣液、液固界面上，離子液體也形成團簇結構。

在單元尺度上，文章討論了最新發展的離子液體反應器中氣液兩相流動力學模型和熱量、質量的傳遞規律，基於這些研究，不同構造的反應器被設計出來，包括鼓泡床、固定床以及微反應器等。

在系統集成方面，文章介紹了離子液體熱力學性質的預測模型、多目標優化方法、環境評價方法以及典型應用的過程模擬。最後課題組給出了展望，儘管離子液體在多尺度研究方面取得了較大的發展，但許多方面需要進一步研究，尤其是計算方法需要發展針對於離子液體特殊體系的模型和演算法，在更大規模上實現離子液體的模擬計算。（沈春蕾）

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