離子液體構效研究進展

近期，Chemical Reviews （《化學評論》）在線出版了張鎖江院士課題組最新綜述文章Multiscale Studies on Ionic Liquids，介紹離子液體構效研究最新進展。（Chem.Rev.是世界化學化工領域最具影響、著名綜述性國際期刊，由美國ACS出版社出版發行，目前影響因子達37.36。）這是目前為止第一篇發布在Chemical Reviews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。

今天我們也藉此了解下離子液體及其研究情況。

1. 關於離子液體

離子液體是指在室溫或接近室溫下呈現液態的、完全由陰陽離子所組成的鹽，也稱為低溫熔融鹽。離子液體作為離子化合物，其熔點較低的主要原因是因其結構中某些取代基的不對稱性使離子不能規則地堆積成晶體所致。它一般由有機陽離子和無機或有機陰離子構成，常見的陽離子有季銨鹽離子、季鏻鹽離子、咪唑鹽離子和吡咯鹽離子等，陰離子有鹵素離子、四氟硼酸根離子、六氟磷酸根離子等。

2. 離子液體的多尺度研究背景

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、食品等都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。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的文章，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。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。

3. 離子液體構效研究進展

Multiscale Studies on Ionic Liquids系統性介紹了離子液體構效研究最新進展。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。理想的多尺度模型是從分子到系統的一個整體科學框架，如下圖所示。

結合作者課題組的研究成果，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，相關的計算模型和方法被詳細的介紹。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，在文章中許多重要的實驗結果也被介紹。

分子尺度方面主要介紹了組成離子液體陰陽離子的結構和相互作用，結合以前的研究成果，特殊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，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，不同的構造的反應器被設計，包括鼓泡床、固定床以及微反應器等。

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。

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