综述：探索物理表征技术及其在离子液体（IL）中的广泛应用前景：一篇综述

《Journal of Molecular Liquids》：Exploring physical characterization techniques and the promising applications of IL: a review

本文系统综述了离子液体（ILs）的物理表征技术，包括X射线衍射、核磁共振等，以评估其结构、热稳定性和应用潜力，强调标准化方法对ILs研究和应用的重要性。

　　

斯韦塔·阿查里亚（Sweta Acharya）| 韩琪（Qi Han）| 安基特·贾恩（Ankit Jain）

印度拉贾斯坦邦皮拉尼（Pilani）皮拉尼校区（Pilani Campus）比尔拉科技与科学学院（Birla Institute of Technology and Science）药学系工业研究实验室（Industrial Research Laboratories），邮编333031

摘要

离子液体（ILs）是一类熔点通常低于100°C的熔融盐，具有显著的物理化学性质，如极低的蒸气压、高热稳定性和优异的离子导电性。这些特性使得离子液体在催化、药物输送和溶剂化等应用中具有显著优势。然而，要有效利用离子液体，需要对其进行严格的物理表征，以确定其是否适合特定应用。本文系统地阐述了评估离子液体所必需的各种物理表征技术，包括X射线衍射（XRD）、核磁共振（NMR）光谱、差示扫描量热法（DSC）、热重分析（TGA）和扫描电子显微镜（SEM），以及傅里叶变换红外（FTIR）光谱和紫外-可见光谱等光谱技术。这些技术能够提供关于离子液体结构、热性质和形态的重要信息，对于其在生物和工业领域的应用至关重要。此外，本文还回顾了过去25年来离子液体的发展历程，指出了现有文献中在表征方面的不足，并强调了进行全面研究的必要性。这种严谨性对于开发安全有效的离子液体以应用于先进技术至关重要。

引言

离子液体（ILs）是一类完全由成对离子组成的熔融盐，例如有机咪唑鎓或铵阳离子与各种无机或有机阴离子（如氯离子、四氟硼酸根或三氟甲基磺酸根），其熔点不超过100°C。离子液体的宏观状态与其分子结构密切相关。具有高离子对称性、短烷基链和强分子间作用力（库仑力或氢键）的离子液体倾向于形成高效的晶体结构，因此在室温下呈现固态或半固态。相比之下，室温离子液体（RTILs）在常温（通常≤25–30°C）下仍保持液态。这种状态是通过引入体积较大、构象灵活且电荷分布不均匀的离子实现的，这些离子阻碍了晶体结构的形成，从而显著降低了晶格焓[1][2]。离子液体的热和物理化学性质对其离子组成非常敏感，不能一概而论。由于其离子特性，离子液体的蒸气压极低且不易燃，但其热稳定性高度依赖于阳离子-阴离子的化学性质。非质子性离子液体（如含有体积较大的、电荷分布不均匀的阳离子[咪唑鎓、吡咯里丁鎓、膦鎓]和配位能力较弱的阴离子[NTf₂^?、BF₄^?、PF₆^?]）通常具有较高的热稳定性，分解温度超过300°C。这是由于强烈的库仑相互作用、有效的电荷分布以及阴离子的低亲核性抑制了降解作用。而质子性离子液体和第三代/生物相容性离子液体（基于氨基酸或胆碱鎓的）则相对不太稳定，其分解温度较低，这可能是由于容易发生质子转移、氢键形成以及功能基团易发生脱水、脱羧等热反应。总之，热稳定性并非离子液体的普遍特性。这些特点使离子液体成为传统挥发性有机溶剂（如丙酮、乙腈和四氢呋喃）的有吸引力的替代品。离子液体在制药、电化学、化学和环境科学等多个领域展现出巨大潜力[3][4]。

1914年，保罗·瓦尔登（Paul Walden）首次描述了离子液体乙胺硝酸盐，其熔点为12°C[5]。近年来，合成方法已从传统技术发展到超声波处理和微波辐照等现代技术，这些创新为离子液体在纯化、药物输送和生物传感等领域的应用开辟了新途径[6][7]。

本文综述了过去25年来离子液体的发展历程，强调了严格表征的重要性，这对于全面理解其物理化学性质至关重要。各种表征技术可以探究不同的维度，包括物理、化学和生物性质。然而，目前关于适用于离子液体的物理表征技术的讨论尚不充分，尤其是针对咪唑鎓离子液体的研究。本文通过探讨用于离子液体的各种物理表征方法，填补了这一空白，丰富了我们对这一关键研究领域的认识。图1显示了过去25年来离子液体研究数量的增加。同时，文章还介绍了离子液体的多种类型及其应用，反映了其在实际应用中的显著进展。

离子液体的设计与合成

离子液体的设计是通过选择和优化阳离子和阴离子来获得所需性质的。第二代离子液体侧重于空气和水稳定的系统，使用高电荷分布能力的阳离子（如咪唑鎓、吡咯里丁鎓、铵鎓、膦鎓）和配位能力较弱的阴离子（如BF₄^?、PF₆^?、NTf₂^?），从而降低晶格能并提高热/电化学稳定性。第三代离子液体则是针对特定任务设计的，使用功能性或生物源离子（如胆碱鎓、基于氨基酸的离子）。

离子液体的物理表征技术

合成离子液体后，进行物理表征以确认其纯度并检测杂质（如氯离子、残留溶剂和水）非常重要，因为这些杂质可能影响其稳定性和效果。了解离子液体的结构特征有助于揭示其独特性质，并为其在特定研究中的定制提供依据。因此，合成与表征的协调进行对于确保离子液体具备所需特性至关重要。

结论与未来展望

总之，对离子液体进行全面表征既面临挑战，也为该领域的发展带来了机遇。首要目标是开发标准化的测量方法，以避免测量协议中的不一致性导致对物理化学和界面性质的误解。核磁共振（NMR）、傅里叶变换红外（FTIR）、拉曼光谱和质谱等基本方法在提供分子结构信息方面非常有效。

CRediT作者贡献声明 斯韦塔·阿查里亚（Sweta Acharya）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据管理。 韩琪（Qi Han）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、实验研究、数据管理。 安基特·贾恩（Ankit Jain）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、项目监督、概念构思。

资金来源

本文的发表未获得任何资助。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

贾恩博士（Dr. Jain）衷心感谢印度政府Anusandhan国家研究基金会（ANRF/ECRG/2024/006496/LS）的慷慨支持。阿查里亚女士（Ms. Acharya）也感谢比尔拉科技与科学学院（BITS-Pilani）提供的博士研究奖学金。

(RfSO₂)₂N^?

双（全氟烷基-磺酰）亚胺

[(Benz)₂im] ⁺

1,3-二苯基咪唑鎓

[BMIM][Br]

1-丁基-3-甲基咪唑鎓溴化物 [BMIM][PF₆ 1-丁基-3-甲基咪唑鎓六氟磷酸盐 [BnzC₁im] ⁺ 1-苯基-3-甲基咪唑鎓 [CyhmC₁im] ⁺ 1-(环己基-甲基)-3-甲基咪唑鎓 [EtNH₃][NO₃ 乙胺硝酸盐 [HMIM][Cl] 1-己基-3-甲基咪唑鎓氯化物 [NapmC₁im] ⁺ 1-(2-萘基甲基)-3-甲基咪唑鎓 [NTf₂] 双[(三氟甲基)磺酰]酰胺 AA 壬二酸 氨基酸 醋酸根离子 AlCl₃