Az ionos folyadék olyan folyadék , amely csak ionokat tartalmaz . E fogalom tágabb értelmében az ionos folyadékok bármilyen olvadt sók , például 800 Celsius fok feletti hőmérsékleten megolvadt nátrium-klorid . Jelenleg az "ionos folyadékok" kifejezés leggyakrabban olyan sókat jelent , amelyek olvadáspontja alacsonyabb, mint a víz forráspontja, azaz 100 Celsius -fok alatti . A szobahőmérsékleten megolvadó sókat nevezik "RTIL"-nek vagy "szobahőmérsékletű ionos folyadékoknak".
Főbb alkalmazások: alkalmazott tudomány, biotechnológia , energetika , kémia , rakétatudomány [1] . Az ionos folyadékok az úgynevezett "zöld oldószerek" közé tartoznak, amelyek megfelelnek a zöld kémia alapelveinek . Egyes ionos folyadékok, mint például az 1-butil-3-metil-imidazolium-klorid, viszonylag hatékony oldószerek a cellulóz számára . A klasszikus oldószerekben ez a folyamat csak nagyon kemény körülmények között megy végbe. [2]
Az első kiadvány 1888-ban jelent meg. Gabriel beszámolt benne az etanol-ammónium-nitrátról, amelynek olvadáspontja 52-55 °C [3] . 1914-ben Paul Walden megszerezte az első szobahőmérséklet alatti olvadáspontú ionos folyadékot: etil-ammónium-nitrátot [EtNH 3 ] + [NO 3 ] − , amelynek olvadáspontja 12 °C [4] . Ezt követően az ionos folyadékok egy időre feledésbe merültek, és csak laboratóriumi érdekességnek számítottak. 1951-ben Harley klór-aluminátokból ionos folyadékokat nyert, amelyeket alumínium elektromos leválasztására használt [5] . 1963-ban Yoke arról számolt be, hogy a réz(I)-klorid és alkil-ammónium-klorid keverékei gyakran folyékonyak [6] . 1967-ben Swain tetra-n-hexilammónium-benzoátot használt az elektrokémiai reakciók kinetikájának tanulmányozására . Az 1970-es évektől az 1980-as évekig a klór-aluminátokat átmenetifém-komplexek spektro- és elektrokémiai vizsgálatára használták . 1981-ben először használták őket oldószerként és katalizátorként egyidejűleg a Friedel-Crafts reakció végrehajtásához . 1990-ben a Nobel-díjas Yves Chauvin ionos folyadékokat alkalmazott kétfázisú katalízishez [7] . Ugyanebben az évben Osterjong ionos folyadékokat használt az etilén polimerizálására Ziegler-Natta katalizátor részvételével [8] . A kutatásban az áttörést 1992-ben érte el, amikor Wilkes és Zavorotko, akik az akkumulátorokhoz új elektrolitok keresésén dolgoztak , beszámoltak az első levegőnek és nedvességnek ellenálló ionos folyadékok - imidazolium sók anionokkal [BF 4 ] - és MeCO 2 előállításáról. - [9] . Ezt követően megkezdődött az ionos folyadékok aktív tanulmányozása. A megjelent cikkek és könyvek száma folyamatosan növekszik. 2002-ben több mint 500 publikáció jelent meg, 2006-ban közel 2000. A vegyszerkereskedők ma már a kereskedelemben kapható ionos folyadékok széles választékát kínálják. 2009-ben az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma (DOE) 5,13 millió dolláros támogatást ítélt oda az arizonai Fluidic Energy induló vállalkozásnak, hogy olyan tartós fém-levegő akkumulátorok prototípusait építsék meg, amelyek fajlagos kapacitása nagyságrenddel nagyobb, mint a lítium-ion akkumulátoroké. Az elektrolit szerepét nem vizes oldatnak, hanem ionos folyadéknak kell betöltenie. Ennek megfelelően az új típusú akkumulátor a Metal-Air Ionic Liquid Battery nevet kapta. [tíz]
Az ionos folyadékok szilárd állapotban fehér vagy sárgás színű porok vagy viaszos anyagok. Folyékony állapotban színtelenek vagy sárgás árnyalatúak, ami a kis mennyiségű szennyeződésnek köszönhető. Az ionos folyadékok egyik jellemző tulajdonsága a magas viszkozitásuk , ami megnehezíti a velük való munkát. Az ionos folyadékok fő jellemzője az alacsony olvadáspont, a szerkezet térbeli akadályozása miatt , ami megnehezíti a kristályosodást . Például 1-etil-3-metil-imidazolium-dicianamid, [C 2 mim][N(CN) 2 ], olvad T pl = -21 °C [11] , piridinium-klorid, [PyH]Cl, T pl hőmérsékleten olvad = 144,5 °C [12] , de az 1-butil-3,5-dimetil-piridinium-bromid [ N -butil-3,5-dimetil-Py]Br csak Tg = -24 °C alatt üvegesedik. [13]
Az ionos folyadékok nagyjából a következők szerint osztályozhatók:
Az ionos folyadékok szintézise két lépésre redukálható: kationképzésre és anioncserére (ha szükséges). A kation gyakran a kereskedelemben halogenidsóként beszerezhető , és csak az aniont kell kicserélni, hogy megkapjuk a kívánt ionos folyadékot.
A kation képzése történhet savval való reagáltatással vagy egy amin , foszfin vagy szulfid kvaternerizálásával . Ez utóbbi végrehajtásához gyakran használnak halogén -alkánokat vagy dialkil-szulfátokat . A kvaternerezési reakció nagyon egyszerű - az eredeti amint (vagy foszfint) összekeverik a szükséges alkilezőszerrel, keverés közben melegítik, a legtöbb esetben oldószer nélkül. A reakcióidő és a melegítési hőmérséklet a halogén-alkántól függ. A reakcióképesség klórról jódra nő . Fluorszármazékokat ilyen módon nem lehet előállítani.
Két kategóriába sorolható: a halogenidsók közvetlen reakciója Lewis-savakkal és az anionok metatézise (cseréje). Az ionos folyadékok előállítása Lewis-sav (leggyakrabban AlCl 3 ) és halogenidsó reakciójával volt a domináns módszer a kutatás korai szakaszában.
Például egy ionos folyadék előállításának reakciója etil-metil-imidazolium-klorid és alumínium-klorid (Lewis-sav) reakciójával:
[EMIM] + Cl - + AlCl 3 → [EMIM] + AlCl 4 -
A só metatézis reakció jelentése: új sópárt alkotnak, amelyek különböző fizikai tulajdonságaik alapján könnyen elválaszthatók. Például ezüsthalogenidek ( amelyek kicsapódnak) vagy savak előállítása, amelyek könnyen elválaszthatók az ionos folyadék vízzel történő mosásával (csak vízzel nem elegyedő ionos folyadékok esetén). Például etil-metil-imidazolium-klorid reakciója hexafluor-foszforsavval
[EMIM] + Cl - + HPF 6 → [EMIM] + PF 6 - + HCl
A reakció eredményeként vízzel nem elegyedő ionos folyadék képződik, és a mellék- termék, a sósav , vízben oldva marad.
Annak ellenére, hogy az ionos folyadékok könnyen beszerezhetők a laboratóriumban, magas költségük miatt nem minden módszer alkalmazható ipari méretekben. Az ionos folyadékokat "zöld oldószerként" forgalmazzák, de gyártásuk során gyakran nagy mennyiségű szerves oldószert használnak fel , gyakran a halogének eltávolítására az ionos folyadékokból. Mindezeket a hiányosságokat ki kell küszöbölni a nagy léptékű szintézisekre való átállás során. Például a Solvent Innovation több tonna ionos folyadékot javasolt, szabadalmaztatott és gyárt, amely az ECOENG 212 márkanevet kapta. Megfelel a zöld kémia minden követelményének: nem mérgező, a környezetbe kerülve lebomlik, igen. nem tartalmaz halogén szennyeződéseket, nem használ oldószereket, és az etil-alkohol az egyetlen melléktermék. [tizennégy]
Mivel az ionos folyadékok desztillációval nem tisztíthatók ( telített gőznyomásuk közel nulla), a gyakorlatban a kiindulási vegyületeket megtisztítják, amelyekből az ionos folyadékot nyerik. Elméletileg minden szerves szennyeződést ki lehet űzni az ionos folyadékból, mivel az utóbbiak közül sok ellenáll a nagyon magas hőmérsékletre való melegítésnek: 400 °C-ig nem bomlik le. Lehetőség van az ionos folyadékok aktív szénnel történő tisztítására is , amelyet rövid, semleges alumínium - oxid oszlopon történő szűrés követ . A vizet csökkentett nyomáson több órán át 60 °C-ra melegítve desztilláljuk le. Az iparban az ionos folyadékok újrafelhasználás céljából tisztítható képessége az utóbbiak magas költsége miatt kiemelkedően fontos. A hatékonyság a gyengetől a nagyon jóig változik. [14] Különféle innovatív módszereket javasolnak. Például termékek extrakciója szuperkritikus CO 2 [15] vagy membrántechnikákkal [16] . Ezen túlmenően ígéretesnek tűnik az ionos folyadékok egyszeri használatra történő lízingelésének iránya. Így az egyik cég szállítja és tisztítja az oldószert a másiknak, ami pénzt takarít meg az oldószer újrafelhasználásával.