具有多重环丙基官能团的超燃离子液体，其能量性能得到提升

《Journal of Molecular Liquids》：Multicyclopropyl-functionalized hypergolic ionic liquids with enhanced energetic performance

本研究设计合成了一类以环丙基为核心结构的超燃离子液体，其低熔点（低于-40℃）和高热稳定性（分解温度＞289℃）赋予宽温域应用潜力，密度达1.04-1.09 g/cm3。通过环丙烷环的固有应变能显著提升能量性能，密度比冲（ρIsp）＞440 s·g/cm3，较传统UDMH提高9.5%，同时保持低毒性和高热稳定性。

　　这项研究聚焦于一种新型的自燃性离子液体的设计与合成，其核心结构引入了环丙基基团。环丙基基团因其独特的几何结构和高能特性，在航天推进领域展现出重要的应用潜力。离子液体作为一类具有特殊物理化学性质的化合物，近年来在绿色推进剂的研发中占据着越来越重要的位置。传统的自燃性推进剂，如肼类化合物，虽然在燃烧性能和可靠性方面表现优异，但其高毒性和易挥发性给储存、运输和使用带来了诸多挑战。因此，开发一种环境友好、低毒且具有自燃性能的新型推进剂成为实现可持续航天探索的关键方向之一。

环丙基基团的环张力是有机化学中一个重要的概念，它源于分子结构中非理想键角和几何构型的偏差。环丙烷和环丁烷是典型的环张力显著的分子，其内部键角远小于理想的109.5°，导致分子结构处于一种不稳定状态。这种不稳定性不仅体现在分子的热力学行为上，也对燃烧性能产生影响。环张力的存在使得分子在燃烧过程中能够释放额外的能量，从而提高单位质量的燃料能量输出。因此，环丙基基团在高能燃料设计中具有独特的优势。

基于这一特性，本研究团队提出了一种新的设计思路，即在离子液体的阳离子核心中引入环丙基基团，使其成为主要的分子框架，而不是传统的取代基。这一策略与以往的研究有所不同，以往的阳离子结构多以咪唑??、双环铵等为主，而环丙基基团的引入则赋予离子液体更高的能量密度和燃烧性能。通过与二氰胺阴离子配对，研究人员成功合成了一系列具有自燃特性的离子液体。这些离子液体在熔点、热分解温度和密度等方面表现出优异的性能，其熔点低于-40°C，热分解温度超过289°C，密度范围为1.04–1.09 g·cm?3。这些特性使得其在广泛的温度范围内具有良好的使用性能，同时也为高能推进剂的设计提供了新的方向。

在合成过程中，研究人员采用了多种有机溶剂和反应试剂，包括碘甲烷、溴乙烷、1-溴丙烷、1-溴丁烷、溴甲基环丙烷、五氯环丙烷、氢氧化钠、二氯甲烷以及环丙基胺等。所有试剂均为分析级，确保了实验的准确性和可靠性。实验过程中，通过差示扫描量热法（DSC）和热重分析法（TGA）对离子液体的热性能进行了系统测试。测试结果表明，这些离子液体在低温下仍能保持液态，同时具有较高的热分解温度，这意味着它们可以在更宽泛的温度范围内使用，从而提升了其在航天器推进系统中的适用性。

此外，这些离子液体在接触硝酸（白烟硝酸）时表现出自燃特性，这是其作为推进剂的重要优势之一。自燃性燃料无需复杂的点火系统，能够简化发动机设计，提高系统可靠性。在航天任务中，尤其是在资源受限的环境中，如太空探索和军事行动，燃料的密度和能量输出直接影响到推进系统的效率。因此，高密度和高能量的离子液体在实际应用中具有重要的意义。本研究的离子液体不仅密度高，而且其能量输出指标（比冲）达到约320秒，密度比冲超过440秒·g·cm?3，显著优于传统的肼类推进剂（如UDMH，密度比冲为402.9秒·g·cm?3）。

环丙基基团的引入不仅提升了离子液体的热力学性能，还改善了其物理性质。通过紧密的分子堆积，环丙基结构增强了离子液体的密度，同时其环张力使得燃料在燃烧过程中释放更多的能量。这种设计策略在分子结构层面具有创新性，为高能离子液体的开发提供了新的思路。研究人员通过计算方法进一步验证了这些离子液体的热力学行为和能量特性，确保了实验数据的准确性。

从实验设计到最终成果，研究人员密切合作，充分发挥各自的专业优势。Y. Zhang和N. Jiao提出了研究方向，设计了实验方案并监督了整个研究过程。N. Jiao和Z. Jiang负责了基础的表征实验，包括热分析和结构测试，并对实验数据进行了分析和撰写。Y. Yao和L. Liu则负责了计算方法的实施和结果分析。所有研究人员都参与了论文的撰写和修改，并对研究成果的提交表示了支持和认可。

这项研究不仅在实验层面取得了重要进展，也为未来的航天推进技术提供了新的材料选择。通过引入环丙基基团，研究人员成功开发出一系列具有自燃特性的离子液体，其在热力学性能和能量输出方面均表现出显著优势。这些离子液体有望成为新一代高能推进剂的重要候选，为实现更高效、更安全的航天推进系统提供了理论支持和技术储备。

本研究的成果得益于国家自然科学基金和中国科学院基础研究青年科学家项目的支持，这为研究的深入进行提供了必要的资金保障。同时，研究团队在实验设计、数据分析和理论计算等方面积累了丰富的经验，确保了研究成果的科学性和实用性。未来，随着对环张力和离子液体结构性能关系的进一步研究，这类材料在航天推进领域的应用前景将更加广阔。

综上所述，本研究通过创新性的分子设计策略，成功开发出一系列具有自燃特性的离子液体。这些离子液体不仅在热性能和能量输出方面表现出色，还具备良好的环境适应性和安全性，为高能推进剂的设计提供了新的思路。随着航天技术的不断发展，对高效、环保推进剂的需求也在增加，这类离子液体有望在未来成为重要的研究对象和应用材料。