作者:张锁江等 来源:《化学评论》 发布时间:2017/6/7 11:11:00
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我国科学家发文综述离子液体构效关系

 

日前,《化学评论》在线出版了中国科学院过程工程研究所所长张锁江院士课题组最新综述文章Multiscale Studies on Ionic Liquids(《离子液体的多尺度研究》),文章介绍了离子液体构效研究最新进展。

张锁江表示:“这是目前为止第一篇发布在《化学评论》上从多尺度认识离子液体的构效关系的综述性文章,为推进离子液体的工业化提供重要的参考文献和理论依据。”

离子液体经历了近20年的发展,由于具有低熔点、高化学和热稳定性、宽电化学窗口、性质可调等优良性质,在化学、物理、材料、航天、食品等多领域已经得到广泛的应用,其价值和前景得到广泛关注。然而,离子液体性质和应用取决于其内在微观结构和离子间的相互作用。

张锁江指出,时至今日,尽管已经发表了多篇与离子液体结构相关的综述性文章,但这些文章都是从单一尺度认识离子液体,大多集中在离子液体分子结构上,少数涉及离子液体的介观尺度结构。

化学理论以及计算机科学的发展,已经把化学工程带到了多尺度研究的时代,不同尺度之间的关联以及热力学性质的准确预测成为重要的研究课题。张锁江说:“离子液体工业化面临的问题,也需要多尺度方法加以解决,而单元尺度(流动、传递和反应器设计)和系统集成(尺度)成为离子液体实现工业级应用的核心。”

课题组的这篇文章共分为8个部分,首先概括性地讨论离子液体的结构组成,重点讨论了结构—性质的构效关系,从而引发微观和宏观的直接的关联认识,为离子液体的多尺度研究提供基础。

结合本课题组的研究成果,文章主要讨论4个尺度的结构,即分子尺度(molecular scale)、介观尺度 (mesoscale)、单元尺度(unit scale)和系统集成(process integration)研究进展,全面介绍离子液体时空多尺度研究的现状。针对每个不同尺度的结构,详细地介绍了相关的计算模型和方法。“需要强调的是尽管多尺度研究集中在模拟和计算上,但实验的方法也必不可少,在本文中也介绍了许多重要的实验结果。”

在分子尺度方面,文章主要介绍了组成离子液体阴阳离子的结构和相互作用,结合课题组以前的研究成果,特别讨论了离子液体的氢键和网络结构,以及对反应和性质的影响。介观结构主要是指形成的尺度大于10nm的离子团簇,这些团簇的性质取决于离子液体内部的相互作用,主要是静电作用和范德华力,并对离子液体的性质有重要的影响。在气液、液固界面上,离子液体也形成团簇结构。

在单元尺度上,文章讨论了最新发展的离子液体反应器中气液两相流动力学模型和热量、质量的传递规律,基于这些研究,不同构造的反应器被设计出来,包括鼓泡床、固定床以及微反应器等。

在系统集成方面,文章介绍了离子液体热力学性质的预测模型、多目标优化方法、环境评价方法以及典型应用的过程模拟。最后课题组给出了展望,尽管离子液体在多尺度研究方面取得了较大的发展,但许多方面需要进一步研究,尤其是计算方法需要发展针对于离子液体特殊体系的模型和算法,在更大规模上实现离子液体的模拟计算。 (来源:中国科学报 沈春蕾)

 
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