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离子液体构效研究进展
2017-06-02 |     【关闭窗口】
    

  2017510日,Chemical Reviews (《化学评论》)在线出版了张锁江院士课题组最新综述文章Multiscale Studies on Ionic Liquids,介绍离子液体构效研究最新进展,这是目前为止第一篇发布在Chemical Reviews上从多尺度认识离子液体的构效关系的综述性文章,为推进离子液体的工业化提供重要的参考文献和理论依据。(Chem.Rev.是世界化学化工领域最具影响、著名综述性国际期刊,由美国ACS出版社出版发行,目前影响因子达37.36) 

  离子液体经历了近20年的发展,由于具有低熔点、高化学和热稳定性、宽电化学窗口、性质可调等优良性质,在化学、物理、材料、航天、食品等都多领域已经得到广泛的应用,其价值和前景得到广泛关注。然而,离子液体性质和应用取决于其内在微观结构和离子间的相互作用。时至今日,尽管已经发表了多篇与离子液体结构相关的综述性的文章,但这些文章都是从单一尺度认识离子液体,大多集中在离子液体分子结构上,少数涉及离子液体的介观尺度结构。化学理论以及计算机科学的发展,已经把化学工程带到了多尺度研究的时代,不同尺度之间的关联以及热力学性质的准确预测成为重要的研究课题。离子液体工业化面临的问题,也需要多尺度方法加以解决,而单元尺度(流动、传递和反应器设计)和系统集成(尺度)成为离子液体实现工业级应用的核心。 

  这篇文章共分为8个部分,首先我们概括性的讨论离子液体的结构组成,重点讨论了结构-性质的构效关系,从而引发微观和宏观的直接的关联认识,为离子液体的多尺度研究提供基础。我们理想的多尺度模型是从分子到系统的一个整体科学框架,如下图所示。结合本课题组的研究成果,文章主要讨论4个尺度的结构,即分子尺度(molecular scale)、介观尺度 (mesoscale)、单元尺度 (unit scale)和系统集成(process integration)研究进展,全面介绍离子液体时空多尺度研究的现状。针对每个不同尺度的结构,相关的计算模型和方法被详细的介绍。需要强调的是尽管多尺度研究集中在模拟和计算上,但实验的方法也必不可少,在本文中许多重要的实验结果也被介绍。 

  分子尺度方面主要介绍了组成离子液体阴阳离子的结构和相互作用,结合我们以前的研究成果,特殊讨论了离子液体的氢键和网络结构,以及对反应和性质的影响。介观结构主要是指形成的尺度大于10nm的离子团簇,这些团簇的性质取决于离子液体内部的相互作用,主要是静电作用和范德华力,并对离子液体的性质有重要的影响。在气液、液固界面上,离子液体也形成团簇结构。在单元尺度上,我们讨论了最新发展的离子液体反应器中气液两相流动力学模型和热量、质量的传递规律,基于这些研究,不同的构造的反应器被设计,包括鼓泡床、固定床以及微反应器等。系统集成方面,我们介绍了离子液体热力学性质的预测模型、多目标优化方法、环境评价方法以及典型应用的过程模拟。最后我们给出了展望,尽管离子液体在多尺度研究方面取得了较大的发展,但许多方面需要进一步研究,尤其是计算方法需要发展针对于离子液体特殊体系的模型和算法,在更大规模上实现离子液体的模拟计算。 

  这是目前为止第一篇发布在Chem. Rev.上的关于离子液体多尺度研究的综述性文章,是推进离子液体的工业化重要的参考文献和理论依据。

   

  离子液体特殊的Z键作用

    第一作者,董坤副研究员,硕士生导师,国家自然科学二等奖获得者。19768月出生,山东德州人,2004年石油大学获得硕士学位,2013年获得中国科学院过程工程研究所应用化学博士学位。

离子液体与绿色工程研究部 

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