Iontová kapalina je kapalina , která obsahuje pouze ionty . V širokém smyslu tohoto konceptu jsou iontové kapaliny jakékoli roztavené soli , například roztavený chlorid sodný při teplotě nad 800 stupňů Celsia . V současné době se pod pojmem „iontové kapaliny“ nejčastěji rozumí soli , jejichž bod tání je nižší než bod varu vody, tedy pod 100 stupňů Celsia . Zejména soli , které tají při pokojové teplotě, se nazývají "RTIL" nebo "iontové kapaliny pokojové teploty".
Hlavní aplikace: aplikovaná věda, biotechnologie , energetika , chemie , raketová věda [1] . Iontové kapaliny patří mezi tzv. „zelená rozpouštědla“, která odpovídají principům zelené chemie . Některé iontové kapaliny, jako je 1-butyl-3-methylimidazoliumchlorid, jsou relativně účinnými rozpouštědly pro celulózu . V klasických rozpouštědlech k tomuto procesu dochází pouze za velmi drsných podmínek. [2]
První publikace vyšla v roce 1888. Gabriel v něm referoval o dusičnanu ethanolamonném, který má bod tání 52−55 °C [3] . V roce 1914 získal Paul Walden první iontovou kapalinu s teplotou tání pod teplotou místnosti: dusičnan ethylammonný [EtNH 3 ] + [NO 3 ] − , který má teplotu tání 12 °C [4] . Poté byly iontové kapaliny na čas zapomenuty a byly považovány pouze za laboratorní kuriozitu. V roce 1951 Harley získal iontové kapaliny z chloraluminátů, které použil pro elektrolytické vylučování hliníku [5] . V roce 1963 Yoke hlásil, že směsi chloridu měďnatého (I) s chloridy alkylamonnými byly často kapalné [6] . V roce 1967 Swain použil tetra-n-hexylamoniumbenzoát ke studiu kinetiky elektrochemických reakcí. V období od 70. do 80. let 20. století byly chloralumináty využívány pro spektro- a elektrochemické studium komplexů přechodných kovů. V roce 1981 byly poprvé použity jako rozpouštědlo a katalyzátor současně k provedení Friedel-Craftsovy reakce . V roce 1990 aplikoval nositel Nobelovy ceny Yves Chauvin iontové kapaliny pro dvoufázovou katalýzu [7] . Ve stejném roce Osterjong použil iontové kapaliny pro polymeraci ethylenu za účasti katalyzátoru Ziegler-Natta [8] . Průlom ve výzkumu nastal v roce 1992, kdy Wilkes a Zavorotko, pracující na hledání nových elektrolytů pro baterie , oznámili výrobu prvních iontových kapalin odolných vůči vzduchu a vlhkosti - imidazoliových solí s anionty [BF 4 ] - a MeCO 2 - [9] . Poté začalo aktivní studium iontových kapalin. Počet publikovaných článků a knih neustále roste. V roce 2002 to bylo více než 500 publikací, v roce 2006 téměř 2000. Prodejci chemikálií nyní nabízejí velký výběr komerčně dostupných iontových kapalin. V roce 2009 udělilo americké ministerstvo energetiky (DOE) grant ve výši 5,13 milionů dolarů arizonskému startupu Fluidic Energy na stavbu prototypů odolných baterií typu kov-vzduch s řádově větší specifickou kapacitou než lithium-iontové baterie. Roli elektrolytu by neměl hrát vodný roztok, ale iontová kapalina. Podle toho byl nový typ baterie pojmenován Metal-Air Ionic Liquid Battery. [deset]
Iontové kapaliny v pevném stavu jsou prášky nebo voskovité látky bílé nebo nažloutlé barvy. V tekutém stavu jsou bezbarvé, případně s nažloutlým nádechem, což je způsobeno malým množstvím nečistot. Jednou z charakteristických vlastností iontových kapalin je jejich vysoká viskozita , která ztěžuje práci. Hlavní charakteristikou iontových kapalin je jejich nízký bod tání v důsledku sterické překážky struktury , která komplikuje krystalizaci . Například 1-ethyl-3-methylimidazoliumdikyanamid, [C 2 mim][N(CN) 2 ], taje při Tpl = -21 °C [11] , pyridiniumchlorid, [PyH]Cl, taje při Tpl = 144,5 °C [12] ale 1-butyl-3,5-dimethylpyridiniumbromid, [ N -butyl-3,5-dimethyl-Py]Br, zeskelňuje pouze pod Tg = -24 °C. [13]
Iontové kapaliny lze zhruba klasifikovat takto:
Syntéza iontových kapalin může být redukována na dva kroky: tvorba kationtů a výměna aniontů (je-li požadována). Často je kationt komerčně dostupný jako halogenidová sůl a zbývá pouze nahradit anion, aby se získala požadovaná iontová kapalina.
Tvorba kationtu může být provedena buď reakcí s kyselinou nebo kvarternizací aminu , fosfinu nebo sulfidu . K provedení posledně jmenovaného se často používají halogenalkany nebo dialkylsulfáty . Kvarternizační reakce je velmi jednoduchá – původní amin (neboli fosfin) se smíchá s nezbytným alkylačním činidlem, za míchání se zahřeje, ve většině případů bez rozpouštědla. Reakční doba a teplota zahřívání závisí na halogenalkanu. Reaktivita se zvyšuje od chlóru po jód . Tímto způsobem nelze získat deriváty fluoru.
Lze rozdělit do dvou kategorií: přímou reakci halogenidových solí s Lewisovými kyselinami a metatezi (výměnu) aniontů. Příprava iontových kapalin reakcí Lewisovy kyseliny (nejčastěji AlCl 3 ) s halogenidovou solí byla v raných fázích výzkumu dominantní metodou.
Například reakce získání iontové kapaliny reakcí ethylmethylimidazoliumchloridu s chloridem hlinitým (Lewisova kyselina):
[EMIM] + Cl - + AlCl 3 → [EMIM] + AlCl 4 -
Význam reakce metateze soli je tvoří nový pár solí, které lze snadno oddělit na základě jejich různých fyzikálních vlastností. Například získání halogenidů stříbra ( které se vysrážejí) nebo kyselin, které lze snadno oddělit promytím iontové kapaliny vodou (pouze u iontových kapalin nemísitelných s vodou). Například reakce ethylmethylimidazoliumchloridu s kyselinou hexafluorfosforečnou
[EMIM] + Cl - + HPF 6 → [EMIM] + PF 6 - + HCl
Výsledkem reakce je vznik iontové kapaliny nemísitelné s vodou a vedlejší produkt, kyselina chlorovodíková , zůstává rozpuštěný ve vodě.
Navzdory snadnému získávání iontových kapalin v laboratoři nejsou všechny metody použitelné v průmyslovém měřítku kvůli jejich vysoké ceně. Iontové kapaliny jsou prodávány jako „zelená rozpouštědla“, ale při jejich výrobě často používají velká množství organických rozpouštědel , často k odstranění halogenů z iontových kapalin. Všechny tyto nedostatky je nutné při přechodu na rozsáhlé syntézy odstranit. Například Solvent Innovation navrhla, patentovala a vyrábí tuny iontové kapaliny, která získala obchodní název ECOENG 212. Splňuje všechny požadavky zelené chemie: je netoxická, při uvolnění do životního prostředí se může rozkládat, neobsahuje halogenové nečistoty, nepoužívá se rozpouštědla a ethylalkohol je jediným vedlejším produktem. [čtrnáct]
Protože iontové kapaliny nelze čistit destilací ( jejich tlak nasycených par je téměř nulový), v praxi se čistí výchozí sloučeniny, ze kterých se získá iontová kapalina. Teoreticky je možné z iontové kapaliny odstranit jakékoli organické nečistoty, protože mnohé z nich jsou odolné vůči zahřívání na velmi vysoké teploty: nerozkládají se až do 400 °C. Je také možné čistit iontové kapaliny aktivním uhlím s následnou filtrací přes krátkou neutrální kolonu s oxidem hlinitým . Voda se oddestiluje zahříváním po dobu několika hodin na 60 °C za sníženého tlaku. V průmyslu má schopnost čištění iontových kapalin pro opětovné použití prvořadý význam vzhledem k vysokým nákladům na iontové kapaliny. Účinnost se liší od špatné po velmi dobrou. [14] Navrhují se různé inovativní metody. Například extrakce produktů superkritickým CO 2 [15] nebo membránové techniky [16] . Kromě toho se zdá slibný směr pronájmu iontových kapalin podnikům na jednorázové použití. Jedna firma tedy dodá a vyčistí rozpouštědlo druhé, což ušetří peníze opětovným použitím rozpouštědla.