離子液體
關注創建者：憤怒的小雞 創建時間：2018-08-13
離子液體的實例教程
離子液體是完全由陰、陽離子組成的新型液體軟材料，具有幾乎不揮發、離子電導率高、熱穩定性好、不易燃、電化學窗口寬等獨特性質，不僅為能量/功率密度更高、長周期穩定性和安全性更好的新型電池材料的設計創造了新的機遇，也為已知材料制備方法的革新提供了新的可能。聚離子液體、離子凝膠和離子液體鍵合納米顆粒等離子液體衍生材料在保留離子液體多數特性的同時被賦予了其它優良性能，因而也受到了極大關注。近十年來，涉及離子液體及其衍生材料在鋰、鈉電池領域研究的論文數量始終保持快速增長的趨勢。
【成果簡介】
近日，浙江大學楊啟煒副研究員、邢華斌教授和美國橡樹嶺國家實驗室的Sheng Dai教授團隊合作，在Chemical Society Reviews 上發表了題為《Ionic liquids and derived materials for lithium and sodium batteries》的專題綜述論文，系統總結了離子液體及其衍生材料在鋰/鈉離子電池、雙離子電池、鋰/鈉-硫電池、鋰/鈉-空電池等鋰、鈉電池中的各種應用，涵蓋電極材料制備、液體電解質、固體電解質、電極/電解質界面與集流體等等不同用途，重點介紹了最近三年的研究進展。從技術角度而言，得益于其不同于分子溶劑和無機鹽的獨特性質，離子液體及其衍生材料是鋰、鈉電池制造過程中富有潛力的碳原子/雜原子前體、溶劑、添加劑或離子傳導材料，不僅極大提升了電池的安全性，而且顯著增強了電池的電化學性能及其制造過程的可持續性。但是目前仍有一些問題有待解決。例如，只有一部分離子液體在裂解時可以提供較高的碳收率與氮含量，而這些離子液體的合成步驟普遍較多，成本較高。
展開 第三，鎖定在PAMPS網絡中的[EMIm] [DCA]在施加電壓時可自由移動，這將賦予離子液體凝膠高離子電導率，室溫下的電導率高達約1.9 Sm-1。
【圖文導讀】
圖1 高性能離子凝膠的設計原理圖及其性能
a）PAMPS基的雙網絡聚合物由于AMPS分子的磺酸鹽基團而具有負電荷。
b）PAMPS雙網絡聚合物和咪唑陽離子中磺酸鹽基團之間的靜電相互作用，使IL穩定地鎖定在雙網絡中。
c）PAMPS基的雙網絡聚合物中的陽離子和陰離子可以在電壓作用下自由運動。
d）由于PAMPS和[EMIm] [DCA]之間的良好的相容性，PAMPS離子液體凝膠具有優異的光學透明性。
e）PAMPS的雙網絡結構為離子液體凝膠提供良好的機械強度。
f） 離子液體凝膠室溫下的離子電導率高達約9 Sm-1。
圖2 離子液體凝膠的光學性質和機械強度
a）在可見光區域，離子液體凝膠的透過率可以達到95％以上。
b）制備的離子液體凝膠薄膜的厚度為380 μm。
c）在壓縮試驗中，雙網絡離子液體凝膠在92％應變下可承受高達7.7 MPa的壓力，而單網絡離子液體凝膠在應力高于4.2 MPa時會斷裂。
d）在拉伸試驗中，雙網絡離子液體凝膠的最大斷裂應力和應變分別為約0.4 MPa和158％，而單網絡離子液體凝膠的最大斷裂應力和應變分別為約0.008MPa和47％。
圖3離子液體凝膠的穩定性及其離子電導率的調控
a）離子液體凝膠在-80~100°C的寬溫度范圍內均顯示出較高的離子電導率。
b）離子液體凝膠的離子電導率表現出良好的長期穩定性。
c）離子液體凝膠的電導率隨著AMPS濃度的增加而降低。
d-g）掃描電子顯微鏡（SEM）圖像表明較低的AMPS濃度有很多微孔，為IL提供更多的空間，從而得到更高的離子電導率。
展開 近日，湖南大學材料科學與工程學院張世國教授團隊在Advanced Materials發表研究論文，報道一種高粘附性的聚離子液體材料。
膠粘劑材料在多個領域都有著廣泛的應用場景。盡管近年來許多基于多巴胺結構的高分子膠粘劑廣為報道，但其存在的不可逆氧化交聯、合成繁瑣、循環性能差等問題卻始終存在，開發一種新型多功能膠粘劑仍是一個巨大的挑戰。
離子液體，由有機陽離子和無機或有機陰離子組成的一類室溫熔融鹽，具有諸多常規有機分子不具備的特性，例如，極低的蒸氣壓、不可燃性、高離子導電性、與各種有機/無機材料間良好的相容性，以及高(熱、化學和電化學)穩定性等。由于大多數離子液體在室溫處于液態，直接使用離子液體作為一種膠粘劑材料使用顯得不切實際。聚離子液體，結合了離子液體固有的化學性質和聚合物的基本物理性質（機械耐久性和可加工性等），表現出了直接作為膠粘劑材料使用的可能性。然而，由于其過高的玻璃化轉變溫度(Tg)使得目前報道的大部分聚離子液體材料在室溫下大多都是質地偏脆的固體粉末。此外，一般的聚離子液體本身幾乎沒有粘附特性，不能直接作為膠粘劑使用。
圖1 烷氧基聚離子液體(PIL-m-TFSI)及其它對比樣品的結構式
本研究表明，通過在含有雙(三氟甲磺酰亞胺)(TFSI?)陰離子的聚離子液體的陽離子主鏈上簡單地引入烷氧基側基，傳統的聚離子液體就可以設計成高效的膠粘劑，如圖1所示。
展開 水凝膠和離子液體凝膠等離子導體是構成軟離子器件（soft ionotronics）的關鍵材料。軟離子器件常需要在空氣環境（含水分）或力學載荷作用下工作，但大部分現有的離子液體凝膠并不兼具環境與力學穩定性：水凝膠和離子液體凝膠中的液體成分（水或離子液體）在力學載荷作用下會從聚合物基體中泄露；部分離子液體凝膠因其離子液體的親水性會從環境中吸水從而導致器件性能的改變。近期，浙江大學曲紹興教授與賈錚教授課題組開發了一種兼具力學及環境穩定性的離子液體凝膠，該離子液體凝膠在高相對濕度的環境中不吸收水分，且在長時間的機械加載過程中基本不損失液體成分。同時，該材料具有較大的斷裂應變(>2000%)，較高的電導率(10?4 - 10?5 S/cm)，較好的斷裂內聚長度（fractocohesive length, 0.51 - 1.03 mm)，以及較寬的工作溫度范圍 (?60 ~ 200 ℃)。
針對現有軟離子導體較少兼具力學穩定性及環境穩定性的問題，浙江大學工程力學系曲紹興教授與賈錚教授課題組研發了一種新型離子液體凝膠，該材料可在潮濕環境與力學載荷長期作用下保持穩定，成果以《Ambiently and Mechanically Stable Ionogels for Soft Ionotronics》為題發表在材料領域知名期刊Advanced Functional Materials上。他們將酯類單體乙二醇甲醚丙烯酸酯（MEA）、丙烯酸異冰片酯（IBA）和離子液體1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽([C2mim][NTf2])混合（如圖1a所示），通過自由基聚合的方法，制備了一種新型的離子液體凝膠。
展開 膜分離法作為一種新型的分離方式，以其綠色環保、低功耗、高效率的優異特性成為分離領域的寵兒，但膜分離法天然存在著通量和分離比不可兼得的缺陷，為了盡可能緩解這對矛盾，浙江大學的彭新生教授、孔學謙教授和清華大學的徐志平教授團隊共同合作，設計了一種以氧化石墨烯（GO）為支撐基底，將離子液體受限在GO的二維納米尺寸通道內的薄膜，實現了CO2的高效分離。
近幾年來，利用GO片層堆垛而成的薄膜來實現分子或離子的分離得到了廣泛的研究。其中，有團隊利用GO片層之間的水對CO2的高溶解度特性實現了CO2的有效分離，但是水的易揮發性以及流動性極大地限制了薄膜在高溫環境下和長時間條件下的應用。那么，如果有一種流動性更弱、揮發性更低、沸點更高同時對CO2溶解度更高的液體來彌補上述水的缺陷，是否可以改善薄膜的分離性能和穩定性呢？
基于上述猜想，浙江大學和清華大學團隊合作，選擇了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽（[BMIM][BF4]）這種離子液體來替代水制成以氧化石墨烯為支撐基底的薄膜（graphene oxide supported ionic liquid membrane， GO-SILM）。離子液體是一種飽和蒸汽壓低、粘度大、穩定性強、液態溫度范圍寬的綠色溶劑，同時對CO2又有很高的溶解度，在氣體分離領域已經得到了很多研究，完美符合上述的所有需求。離子液體受限在GO的納米通道內，一方面使氣體的傳輸機制由純GO膜的努森擴散轉變為溶解擴散機制，因此，離子液體對CO2較高的溶解度在CO2的分離過程中發揮了重要作用；另一方面，納米尺度的限制以及離子液體與GO的相互作用對離子液體本身的性質也造成了一定程度的變化，影響了離子液體陰陽離子的分布以及對氣體的溶解和擴散能力，進一步提升了薄膜的分離性能。
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會議官網：http://www.cergd.com
會議地點：青島
接受/拒稿通知：投稿后1周內
收錄檢索：EI Compendex，Scopus,CPCI,CNKI
征稿主題
電極材料的創新
鋰電池技術進展
燃料電池應用探索
電化學儲能研究
電解水技術的突破
太陽能電池的研究與發展
增強的電催化性能
電化學傳感技術
超級電容器的發展
離子液體應用
該文報道了超韌氣凝膠纖維(SAFs)最初是由離子液體解離纖維素通過濕紡絲和超臨界干燥順序開始制備的。所制得的纖維素納米多孔氣凝膠纖維具有卓越的性能，包括高比表面積(372 m2 /g)、良好的機械強度(30 MPa)和高伸長率(107%)。得益于其高強度和伸長率，合成的纖維素納米多孔氣凝膠纖維顯示出高達21.85 MJ/m3的超高韌性，遠遠優于文獻中已知的氣凝膠材料。
（離子液體的MD模擬）
（全原子及粗粒化模型示意圖）
如果您對分子動力學或J-OCTA軟件產生興趣，我們誠摯的邀請您參與我們于10月將開展的《全生命周期材料解決方案：J-Octa 與 Avizo 的多尺度分析研討會》，本次活動我們將攜手JSOL公司與賽默飛世爾科技MSD材料結構部門（原FEI公司）共同舉辦，并匯集新材料及其CAE行業的領先人物，這是一場專業的學術盛會，將為您提供前沿知識和優質的交流平臺
離子液體改性石墨烯（IGN）和銀納米線（AgNW）分別位于纖維素氣凝膠膜的兩側。結果表明，陽光照射30s后，IGNs一側的溫度比棉布高14.2℃。與純纖維素氣凝膠膜相比，ACAM的AgNWs側具有更低的紅外發射率和更高的紅外反射率，室內環境溫度降低3.2℃。此外，ACAM具有不對稱的潤濕性，有利于汗水從疏水側轉移到親水側，10.6秒即可實現排汗滲透，獲得穿著的舒適感。
（圖1：離子液體的MD模擬）
（圖2：全原子及粗粒化模型示意圖）
J-OCTA作為計算軟件優于其他軟件的地方在于J-OCTA中所有輸入數據和計算結果都對用戶開放，便于定制運算。其他商業軟件（如Materials Studio,簡稱MS）的數據通常以二進制格式存取，不會公開，只可作為黑箱使用。
均相與多相的模擬與計算(離子液體,小分子藥物自組裝，團簇)
2.1小分子與離子液體建模
2.2氣相分子，分子團簇與納米液滴的模擬
2..3復合物構象隨時間的變化
2.4.
項目過程實現了復合胺吸收劑、相變吸收劑、離子液體三種吸收劑的兼容性，集成了MVR熱泵、級間冷卻和分流解吸三種節能工藝，CO2單位產品再生能耗為2.35 GJ/t CO2。
該項目依托國華錦界電廠600 MW 亞臨界燃煤機組，采用化學吸收法 CO2捕集工藝，以復合胺吸收劑工藝為主工藝進行設計，同時考慮兼容有機相變吸收劑、離子液體捕集工藝，設計CO2捕集能力 15×104 t/a（圖7）；捕集的 CO2利用神華煤制油公司建成的CO2封存裝置進行咸水層封存，設計 CO2封存能力 10×104 t/a。
化學吸收法中,有機胺和無機氨這2種吸收劑最為常用,新型的吸收劑如氨基酸鹽、離子液體、非水吸收劑、相變吸收劑等也在開發過程中[18,19,20,21,22,23,24]。氨水法有再生效率低、氨逃逸率高的問題,會造成潛在的環境二次污染,故在碳捕集中應用不多。氨基酸鹽再生困難、成本高,離子液體生產困難、價格高昂,非水吸收劑和相變吸收劑均存在吸收劑損耗率大的問題。
