离子液体:从基础到应用  081700M05002H

学期:2020—2021学年(春)第二学期 | 课程属性:专业普及课 | 任课教师:何宏艳,成卫国,王艳磊
授课时间: 星期一,第5、6、7 节
授课地点: 教二楼319
授课周次: 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、12、13、14、15
课程编号: 081700M05002H 课时: 40 学分: 2.00
课程属性: 专业普及课 主讲教师:何宏艳,成卫国,王艳磊 助教:
英文名称: Ionic Liquids: From Fundamentals to Applications 召集人:

教学目的、要求

本课程是化学工程、化学、材料、能源和环境等专业的基础课。本课程是一门涉及化工热力学、有机化学、催化工程、应用化学、材料化学、能源与环境的综合交叉课程。其既可以作为专业基础课程,学习离子液体的基本结构及性质关系及其合成制备技术,亦可了解离子液体相关的最新前沿和发展动态,尤其是可以掌握最新的绿色介质、软材料的发展前沿。通过学习,要求学生了解离子液体的基本结构和物理化学性质;了解离子液体的制备合成方法;了解离子液体在能源、资源和环境等方面的应用研究现状。通过本课程的学习,特别要了解离子液体的理论及技术创新、各领域之间的交叉融合产生的应用需求;能针对需求选取合适的离子液体设计思路。

预修课程

有机化学、化工热力学、物理化学

教 材

主要内容

第一章	绪论 绿色化学与离子液体  2
首先从绿色化学的起源开始,介绍其产生的背景、绿色化学围绕原子经济性的核心原则、绿色化学的发展历程以及绿色化学涉及的领域如有机合成、催化、生物化学、分析化学及能源环境化学等,逐步引入推动了绿色化学发展的重要物质—离子液体。接着从第一代离子液体(1914年)的发现开始讲解,逐渐扩展到第二代、第三代离子液体的完整发展历程,进而讲解因为离子液体的独特特性而在化学化工、能源、环境等领域带来很多重要的应用。在本章中,主要介绍离子液体的发展史及其和绿色化学发展的关系,以及离子液体的独特优势,使学生从宏观上把握本课程的要点。
第二章	离子液体的合成与纯化方法  4
在该章节,主要介绍离子液体的合成制备方法。合成纯度较高的离子液体是直接影响其构效关系的关键。此外,合成高质量的离子液体,可以为后续的基于离子液体的纳米材料合成、聚合离子液体材料的合成等提供物质基础。因为离子液体的合成方法主要取决于目标离子液体的结构与组成,没有固定的方法。因此。本章节主要讲一步法(包括亲核加成、中和反应)和两步法(阴离子络合反应、复分解反应、离子交换反应、电解法等),这种分类是q[=比较唯象的,便于问题的阐述。此外,还扩展讲解离子液体合成过程中的强化方法,如微波强化和超声强化等。离子液体的纯化是一个大课题也是个难题,在本部分,主要介绍与本课程最相关的纯化技术,如离子交换、固液过滤、萃取分液等。在本章的学习中,使学生基本了解离子液体常见的合成表征技术及纯化方法,为后续课程开展,以及今后实验工作奠定基础。
第三章	离子液体的结构与物理化学性质  6
在理论上,能够合成的离子液体数目可以达到1018,但目前报道的离子液体仅有几千种。如何从有限的阴阳离子去组合或者通过改变官能基团实现多种多样的离子液体?要解决这个问题,需要充分了解离子液体的结构。本章首先讲解常见的离子液体的阴阳离子结构,如阳离子为咪唑类、吡啶类等,阴离子为卤素类、醋酸类、磺酸类等,并拓展至实验解析结构的方法。接着从计算模拟(量子化学和分子动力学)的角度讲解对离子液体结构的微观认识,进而扩展到离子液体的性质,如粘度、挥发性、导电性、毒性及生物降解性等;讲授离子液体性质的热力学模型,并扩展到离子液体构筑的微乳液的性质以及离子液体在固相表面的结构及性质。通过本章的教学,使学生能比较系统全面的掌握离子液体的结构表征方法,及结构与性质关系,为未来的离子液体设计及使用奠定基础。
第四章	离子液体在反应过程中的应用  6
开发具有高活性、高选择性和稳定性的催化剂一直是科研工作者努力的目标,而通过构筑催化剂的活性位点和调控催化剂的结构参数可以为此提供新的思路。本章节中,主要介绍离子液体在CO2转化、烷基化反应、生物质转化等领域中的应用。通过本章的教学使学生初步了解离子液体在常见催化反应上的应用情况,并拓展讲解具体几类催化反应的微观机理,为今后从事有关离子液体催化领域的研究工作奠定基础。
第五章	离子液体在典型分离过程中的应用  6
离子液体在分离科学中的应用从早期以替代传统挥发性有机溶剂的研究为主要特征,发展到目前以探索高效性和高选择性的新分离体系和新方法为主要目的,反映了人们对离子液体应用的认识逐渐成熟并且不断深入。本章节中,主要介绍离子液体在天然药物萃取分离、稀土及相关金属分离等领域中的应用。通过本章的教学使学生初步了解离子液体在常见萃取分离过程中的应用情况,并重点讲解具体几个典型的分离过程,为今后从事有关离子液体萃取领域的工作奠定知识基础。
第六章	离子液体的电化学应用  6
面向物理化学电源体系应用的电解质材料应满足高离子电导率、宽电化学窗口、良好热稳定性和化学稳定性、无毒、无污染、使用安全及易制备、成本低等要求,而目前应用的电解质体系难以同时满足上述条件。特别是随着目前新型物理化学电源对高容量、高功率、长寿命、高安全性及绿色环保等性能的需求,新型电解质材料的研究开发成为电化学研究领域新材料研发工作中的重点。从90年代初,离子液体由于其独特的物理化学性质而逐渐在物理化学电源电化学体系中受到关注,为电解质的研究提供了新的思路和大量可供选择的材料。在本章节中,重点讲解离子液体作为一种新型电解质材料在二次电池、超级电容器和燃料电池等方面的研究应用。
第七章	离子液体在材料制备中的应用  6
离子液体与材料科学的交叉是个新兴领域,本章节将重点介绍离子液体在多孔无机材料合成及固载化离子液体的相关研究。从合成方法上看,主要包括三种:1)离子液体与前驱体形成凝胶,然后脱除离子液体,得到多孔材料;2)盐类前驱体在离子液体中转化为纳米粒子,接着自组装成多孔材料;3)离子液体与其他模板剂结合共同致孔。接着讲解离子液体负载(物理法和化学法)到固态载体上,得到负载化离子液体,主要用于催化反应、混合物分离和固态电解质等。通过该阶段的学习,使学生了解最新的离子液体与材料结合的研究热点,初步学习离子液体纳米材料的制备方法及其应用。
第八章	展望 离子液体的发展机遇及挑战  2
离子液体介质已在化工、能源、环境、生物等领域取得了一系列进展和应用。面向未来,离子液体的发展可以向大自然去学习,去催生新物态的发展。如在一些特殊环境中存在液体和固体的中间态,比如冰、树叶、分子筛等表面的痕量液体,多孔介质通道、植物根茎输送通道、生物体内血管等内表面的液体,固体表面吸附的单分子层或多分子层等等。这类表面或界面液体或气体的特性不能简单地用传统的固体、液体或气体理论进行描述,其结构、动力学和输运性质介于固体和液体之间,我们可以将这种中间态称为“准液体”。然而迄今为止,人们尚未认识到离子液体准液体的重要性及对其探究的重大意义。通过本章学习,希望能使学生发散思维,对未来的发展方向各抒己见。

教学重点与难点 
教学重点:离子液体结构与性质;离子液体的特性及优势;离子液体的合成制备方法;离子液体在催化中的应用;离子液体未来的发展方向。
教学难点:缺少比较系统的相关数据和教材,完全是由最新文献和论文整理而来。但这也是该课程的优势,其能够反映当下学科最新的发展方向。
学时分配与进度计划 
第一章2学时,第二章 4学时,第三章6学时,第四章6学时,第五章6学时,第六章6学时,第7章6学时,第八章2学时。讲解内容合计38学时。考试:2学时,开卷。课程合计40学时。

参考文献

1.	张锁江,张香平,王均凤 等著 《绿色介质与过程工程》北京:科学出版社,2019
2.	何良年 等 编著 《绿色化学基本原理》北京:科学出版社,2018
3.	张锁江,徐春明,吕兴梅,周清 等编著《离子液体与绿色化学》北京:科学出版社,2009
4.	张锁江,吕兴梅 等编著 《离子液体—从基础研究到工业应用》北京:科学出版社,2006
5.	Yizhak Marcus, Ionic Liquid Properties-From Molten Salts to RTILs, Springer, 2016
6.	Suojiang Zhang, Jianji Wang, Xingmei Lu, Qing Zhou, Structures and Interactions of Ionic Liquids, 2014