Dlaczego ciecze jonowe są uważane za klasę materiałów zmieniającą reguły gry we współczesnej chemii i inżynierii?

W stale zmieniającym się krajobrazie zaawansowanych materiałów, ciecze jonowe (IL) wyłoniły się jako rewolucyjna klasa substancji, które wymykają się konwencjonalnym kategoryzacjom obejmującym ciecze, sole i rozpuszczalniki. Ale co dokładnie sprawia, że ​​ciecze jonowe są tak wyjątkowe – i dlaczego są coraz częściej uważane za kamień węgielny w rozwoju zrównoważonych technologii, zielonej chemii i systemów elektrochemicznych nowej generacji?

Na najbardziej podstawowym poziomie ciecz jonowa to: sól składająca się wyłącznie z jonów który pozostaje w stanie ciekłym w temperaturze poniżej 100°C, często nawet w temperaturze pokojowej. W przeciwieństwie do tradycyjnych soli, takich jak chlorek sodu, których topienie wymaga wysokich temperatur, zazwyczaj wytwarza się z nich ciecze jonowe nieporęczne, asymetryczne kationy organiczne (takie jak imidazol, pirydyna, amon) w połączeniu z aniony nieorganiczne lub organiczne (jak bis(trifluorometylosulfonylo)imid, PF₆⁻, BF₄⁻ lub halogenki). Nieregularne kształty i słaba koordynacja między jonami zapobiegają krystalizacji i powodują ich charakterystyczne niskie temperatury topnienia.

Właściwości fizykochemiczne cieczy jonowych są tak różnorodne, jak ich przestrajalne struktury molekularne. Jedną z ich najbardziej charakterystycznych cech jest znikome ciśnienie pary , co czyni je nielotnymi, a zatem atrakcyjnymi jako łagodna dla środowiska alternatywa dla tradycyjnych rozpuszczalników organicznych. Już sama ta cecha umieściła ich na czele inicjatywy związane z zieloną chemią , gdzie priorytetem jest eliminacja lotnych związków organicznych (LZO).

Oprócz tego, że są nielotne, ciecze jonowe wykazują także właściwości wyjątkowa stabilność termiczna i elektrochemiczna . Wiele IL może pracować w temperaturach przekraczających 200°C bez rozkładu, a ich szerokie okna elektrochemiczne (do 6 V w niektórych układach) czynią je idealnymi elektrolitami w zastosowaniach takich jak akumulatory litowo-jonowe, superkondensatory i powłoki metalowe . Ich wewnętrzna natura jonowa zapewnia również wysoką przewodność jonową, szczególnie w systemach, w których konwencjonalne rozpuszczalniki odparowują lub ulegają degradacji w trudnych warunkach.

Kolejną istotną zaletą cieczy jonowych jest ich przestrajalność chemiczna . Modyfikując kation lub anion, naukowcy mogą dostroić właściwości, takie jak lepkość, polarność, hydrofilowość, a nawet zdolność koordynacji. Umożliwiło to utworzenie ciecze jonowe specyficzne dla zadania (TSIL) zaprojektowany do wysoce selektywnych zastosowań – na przykład do wychwytywania CO₂, przetwarzania biomasy lub katalizy metali przejściowych. Modułowość IL sprawia, że ​​są one swego rodzaju „projektantem rozpuszczalnika” dla złożonych środowisk chemicznych.

W dziedzinie separacje i ekstrakcje ciecze jonowe mają kilka zalet w porównaniu z tradycyjnymi rozpuszczalnikami. Ich zdolność do solubilizacji szerokiej gamy związków organicznych i nieorganicznych, w połączeniu z ich niemieszalnością z wodą lub węglowodorami (w zależności od składu), umożliwia wysoce wydajne systemy ekstrakcji ciecz-ciecz. IL były używane do odzyskiwanie pierwiastków ziem rzadkich, usuwanie związków siarki z paliw, a nawet ekstrakcja cząsteczek bioaktywnych z roślin .

W kataliza , zarówno jako rozpuszczalniki, jak i kokatalizatory, IL zwiększają selektywność reakcji i wydajność, jednocześnie upraszczając rozdzielanie produktów. Wiele kompleksów metali przejściowych wykazuje lepszą stabilność i aktywność w mediach IL. Warto zauważyć, że ciecze jonowe zostały wykorzystane w reakcje asymetrycznego uwodornienia, alkilowania i sprzęgania krzyżowego , często w łagodniejszych warunkach niż w systemach konwencjonalnych.

Jedno z najnowocześniejszych zastosowań cieczy jonowych znajduje się w dziedzinie urządzenia elektrochemiczne i magazyny energii . Do zestawu dodawane są elektrolity na bazie IL akumulatory litowo-metalowe, akumulatory sodowo-jonowe, ogniwa słoneczne uczulone barwnikami (DSSC), a nawet elektrolity w stanie stałym . Ich obojętność elektrochemiczna, niepalność i tolerancja termiczna oferują krytyczne korzyści w zakresie poprawy zarówno bezpieczeństwa, jak i wydajności systemów energetycznych.

Pomimo swoich obietnic, ciecze jonowe nie są pozbawione wyzwań. Synteza wielu IL na dużą skalę jest nadal kosztowna, a niektóre z nich cierpią wysoka lepkość , co ogranicza szybkość przenoszenia masy. Ponadto, chociaż IL są często promowane jako „zielone rozpuszczalniki”, ich biodegradowalność i toksyczność różnią się znacznie w zależności od struktury, a długoterminowy wpływ na środowisko pozostaje obszarem aktywnych badań. Rozwiązanie tych problemów poprzez bardziej zrównoważone szlaki syntezy i wszechstronną analizę cyklu życia będzie miało zasadnicze znaczenie dla szerszego przyjęcia.

Przyszłość cieczy jonowych jest coraz bardziej interdyscyplinarna. W materiałoznawstwo IL są stosowane jako rozpuszczalniki i szablony w syntezie nanomateriałów, szkieletów metaloorganicznych (MOF) i polimerów przewodzących. W biotechnologia umożliwiają stabilizację enzymów, ekstrakcję białek, a nawet manipulację DNA w nietradycyjnych warunkach. Ich potencjalna rola w wychwytywanie i utylizacja dwutlenku węgla (CCU) technologie również nabierają tempa, zwłaszcza biorąc pod uwagę ich powinowactwo do CO₂ i wysoką odporność termiczną.