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)可以通過陽(yáng)離子和陰離子的改變而進(jìn)行調(diào)變，因此也常被稱為“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；無可燃性，無著火點(diǎn)等。因此，離子液體在近年來的基礎(chǔ)研究過程中受到廣泛關(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，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(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)。在碳催化過程中，增加其有效表面，且使其在液相反應(yīng)過程中實(shí)現(xiàn)無能耗分離。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）鑒于離子液體的可調(diào)控性，可選擇不同種類的離子液體來適應(yīng)不同種類的催化劑，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程中離子液體的選擇限制。通過溫度調(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）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)
