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绿色化工材料离子液体的合成与应用

21世纪,人类面临着严峻的资源、能源和环境危机的挑战。








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21世纪,人类面临着严峻的资源、能源和环境危机的挑战。迎接这一挑战的主要任务就历史的落到化学与化工技术这一学科。其中环境友好的绿色化学技术又成为主力军。绿色化学是化学和化工科学基础内容的更新,是基于环境友好约束下化学和化工的融合和拓展;它是从源头上消除污染;更合理地利用资源和能源、降低生产成本,符合经济可持续发展的要求。正因为如此,科学家们认为,“绿色化学”将是21世纪科学发展最重要的领域之一,是实现污染预防的基本和重要科学手段。R.T.Anastas和J.C.Waner提出绿色化学的12条原则,这12条原则它反映了近年来在绿色化学领域中所开展的多方面的研究工作内容,同时也指明了未来发展绿色化学的方向。所谓“绿色化”涵盖了原料绿色化、反应绿色化、产品绿色化、催化剂绿色化、溶剂绿色化5个方面环境友好的要求。随着无污染清洁技术受到全世界工业和学术界的日益关注,人们把传统的溶剂列入危害最大的化学物质之一,原因在于传统的溶剂具有很强的挥发性,难以保存,它们的使用量非常大,寻找无公害的新型溶剂长期以来只是一种理想。室温离子液体(简称离子液体)由于具有其他液体无法比拟的性质而最有可能使这种理想成为现实。

离子液体的出现于1914年Walden报道了(EtNH3)+ HNO3-的合成(熔点12℃) 。1948年F.H.Hurley和T.P. Wiler首次合成了在环境温度下是液体状态的溴化正乙基吡啶和氯化铝的混合物离子液体。这是第一代离子液体。1982年Wilkes合成出氯化1-甲基-3-乙基咪唑,是第二代离子液体的开始。后来人们又合成出多种高稳定性、氟取代、手性等功能离子液体,这是第三代离子液体。这以后,离子液体的应用研究才真正得到广泛的开展。离子液体的突出优点:(1)液态范围宽,(2)蒸汽压非常小,(3)电导率高,电化学窗口大,(4)结构设计可调节,(5)极性可调,密度大(6)表现良好的溶解能力。离子液体被认为与超临界CO2,和双水相一起构成三大绿色溶剂,具有广阔的应用前景。

团队自2003年开始进行离子液体的研究。在表面活性剂的合成研究基础上,开展双烷基咪唑型离子液体合成与分离提纯。应用这类离子液体进行方钠石、分子筛的合成。与中科院大连化物所合作首次应用离子液体在微波辅助下高效合成分子筛。科技部973“新结构高性能多孔催化材料创制的基础研究—相转移催化”的研究,在结题出版物中发表并确定分子筛的新合成方法,即离子热微波合成法。根据结构设计合成功能化离子液体,并应用于甲烷的非常规转化。由此参与科技部973天然气及合成气高效催化转化的基础研究—甲烷直接转化的非常规过程项目的研究。与大连大学合作应用等离子技术在离子液体中将甲烷转化乙烯,获得国家发明专利1项;首次将离子液体与纳米金催化氧化直接将甲烷转化为甲醇,极大的提高了甲烷的氧化效率。与中科院北京过程所合作进行离子液体的固载化研究,制备负载功能离子液体催化剂,显著的提高了催化效率。应用离子液体进行纤维素溶解与转化的研究,开发多种高效溶解纤维素的离子液体。应用离子液体溶液体系,对纤维生物质的分离,高纯度的分离出木质素、纤维素与半纤维素。这一研究结果取得了国家自然科学基金的支持,对未来的制浆造纸过程可产生重要的影响。研究纤维素酶在离子液体中的催化降解纤维素,发现纤维素酶的活性提高两倍以上,这对进一步酶催化降解纤维素打下了良好的基础。团队与本校纺织工程郑来久团队开展的超临界离子液体染色研究,开发了离子液体在超临界流体中的应用;与材料工程团队开展的离子液体色素太阳能电池的应用、离子液体基锂离子电池电解液的应用,开发了离子液体在新能源材料的应用;设计新型离子液体在高分子材料合成、功能材料有机合成中取得了良好的进展;应用微波、超声技术进行无溶剂高效合成各种离子液体;建立50公斤/批次离子液体合成与分离装置,使离子液体的规模化应用得以实现。