離子液體是一種液態(tài)有機(jī)鹽，是在一定溫度范圍內(nèi)由離子組成的有機(jī)液體物質(zhì)。其極性、親脂性、親水性、催化活性等性質(zhì)可以通過(guò)陽(yáng)離子和陰離子的改變而進(jìn)行調(diào)變，因此也常被稱(chēng)為“可設(shè)計(jì)的溶劑”。離子液體有許多優(yōu)勢(shì)特性，例如：在常壓下幾乎無(wú)蒸汽壓，在使用、貯藏中不會(huì)蒸發(fā)散失，可以循環(huán)使用，不污染環(huán)境；有高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在較寬廣的溫度范圍內(nèi)為液態(tài)，有利于動(dòng)力學(xué)控制；具有良好的溶解性，它們對(duì)無(wú)機(jī)和有機(jī)化合物表現(xiàn)出良好的溶解能力；與一些有機(jī)溶劑不互溶，可以提供一個(gè)非水、極性可調(diào)的兩相體系；無(wú)可燃性，無(wú)著火點(diǎn)等。因此，離子液體在近年來(lái)的基礎(chǔ)研究過(guò)程中受到廣泛關(guān)注，但因其價(jià)格昂貴，分離提純困難，其大規(guī)模的應(yīng)用仍受到極大限制。
近期，金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室催化材料研究部蘇黨生研究員課題組，基于納米碳材料與離子液體間特殊的作用力，實(shí)現(xiàn)了離子液體與納米碳的有效結(jié)合；并利用真空條件下離子液體的低飽和蒸汽壓，對(duì)離子液體層數(shù)進(jìn)行有效調(diào)控，可實(shí)現(xiàn)離子液體在碳材料表面的單層存在，相關(guān)成果發(fā)表在Chemsuschem（2014, 7, 1542–1546）。這種離子液體與納米碳的主客體型材料，兼具離子液體和納米碳的優(yōu)良性質(zhì)。在碳催化過(guò)程中，增加其有效表面，且使其在液相反應(yīng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)無(wú)能耗分離。離子液體的固態(tài)存在可使其在固相催化中得到應(yīng)用，并且極大降低離子液體用量，有效提升其利用效率。
研究人員同時(shí)發(fā)現(xiàn)，在碳表面少層存在的離子液體，可用于分散分子催化劑，實(shí)現(xiàn)單分子催化。這種組合可以將均相催化體系非均相于碳材料表面，使新的催化體系同時(shí)具有均相催化和非均相催化的優(yōu)勢(shì)。反應(yīng)過(guò)程中，離子液體不單可作為催化劑的分散劑和催化反應(yīng)的反應(yīng)媒介，還可對(duì)催化劑活性位產(chǎn)生電子誘導(dǎo)效應(yīng)，進(jìn)而極大提高催化劑的TOF，這對(duì)于催化反應(yīng)意義重大。相關(guān)成果發(fā)表在Green Chemistry（2014, DOI: 10.1039/C4GC01814A. http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2014/gc/c4gc01814a#!divAbstract）鑒于離子液體的可調(diào)控性，可選擇不同種類(lèi)的離子液體來(lái)適應(yīng)不同種類(lèi)的催化劑，使該體系具有很寬的適用范圍。
納米碳材料表面化學(xué)惰性較強(qiáng)，使其表面難于調(diào)控。但通過(guò)離子液體的選擇，可得到不同功能化的離子液體表面的碳骨架。在離子液體剝離過(guò)程中，研究人員意外發(fā)現(xiàn)碳表面對(duì)離子液體存在表面限域效應(yīng)和排列導(dǎo)向作用。利用這兩種有趣的效應(yīng)，可在不同缺陷度表面形成相應(yīng)的離子液體衍生碳；同時(shí)，二者的強(qiáng)相互作用力使得本身無(wú)法交聯(lián)的離子液體產(chǎn)生交聯(lián)聚合，這消除了離子液體成碳過(guò)程中離子液體的選擇限制。通過(guò)溫度調(diào)控，可得到不同表面性質(zhì)，如超親水或超疏水，酸性或堿性等。相關(guān)成果發(fā)表在Angew. Chem. Int. Ed.（ 2014, DOI: 10.1002/anie.201408201. http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201408201/abstract）這些可調(diào)控的性質(zhì)，每一種對(duì)碳材料的提升都意義重大。同時(shí)，通過(guò)離子液體的調(diào)變，可得到含不同雜原子和官能團(tuán)的功能化表面，為不同催化過(guò)程提供相應(yīng)活性位，因此具有廣泛的適用性。
圖1. 左圖：a）離子液體/碳納米管復(fù)合膠體與復(fù)合材料圖像 b,、c）HHT與其相應(yīng)復(fù)合材料的顯微圖及Mapping圖像；右圖：復(fù)合材料機(jī)理圖
圖2. 左圖：OPW-OP/HHT復(fù)合材料的HAADF-STEM圖像；右圖：不同催化劑材料在DBT氧化過(guò)程中的催化活性
圖3. 離子液體陽(yáng)離子在石墨層表面的優(yōu)化物理吸附結(jié)構(gòu)
