เหตุใดของเหลวไอออนิกจึงถือเป็นประเภทของวัสดุที่เปลี่ยนแปลงเกมในเคมีและวิศวกรรมสมัยใหม่

ในภูมิทัศน์ที่เปลี่ยนแปลงตลอดเวลาของวัสดุขั้นสูง ของเหลวไอออนิก (IL) ได้กลายเป็นสารประเภทปฏิวัติที่ท้าทายการจัดหมวดหมู่ของเหลว เกลือ และตัวทำละลายแบบเดิมๆ แต่อะไรที่ทำให้ของเหลวไอออนิกมีเอกลักษณ์เฉพาะตัว และเหตุใดของเหลวไอออนิกจึงได้รับการยกย่องมากขึ้นเรื่อยๆ ว่าเป็นรากฐานที่สำคัญในการพัฒนาเทคโนโลยีที่ยั่งยืน เคมีสีเขียว และระบบไฟฟ้าเคมีแห่งยุคถัดไป

ในระดับพื้นฐานที่สุด ของเหลวไอออนิกคือ a เกลือที่ประกอบด้วยไอออนทั้งหมด ที่ยังคงอยู่ในสถานะของเหลวต่ำกว่า 100°C ซึ่งมักจะอยู่ที่อุณหภูมิห้องด้วยซ้ำ ของเหลวไอออนิกแตกต่างจากเกลือทั่วไป เช่น โซเดียมคลอไรด์ ซึ่งต้องใช้อุณหภูมิสูงในการละลาย แคตไอออนอินทรีย์ขนาดใหญ่และไม่สมมาตร (เช่น อิมิดาโซเลียม ไพริดิเนียม แอมโมเนียม) จับคู่ด้วย แอนไอออนอนินทรีย์หรืออินทรีย์ (เช่น บิส(ไตรฟลูออโรเมทิลซัลโฟนิล)อิไมด์, PF₆⁻, BF₄⁻ หรือเฮไลด์) รูปร่างที่ไม่ปกติและการประสานกันที่อ่อนแอระหว่างไอออนจะป้องกันการตกผลึกและส่งผลให้จุดหลอมเหลวที่มีลักษณะเฉพาะต่ำ

คุณสมบัติทางเคมีฟิสิกส์ของของเหลวไอออนิกมีความหลากหลายพอๆ กับโครงสร้างโมเลกุลที่ปรับได้ ลักษณะที่กำหนดได้ชัดเจนที่สุดประการหนึ่งคือ ความดันไอเล็กน้อย ซึ่งทำให้สารเหล่านี้ไม่ระเหยและน่าดึงดูดเนื่องจากเป็นทางเลือกที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมนอกเหนือจากตัวทำละลายอินทรีย์แบบดั้งเดิม คุณลักษณะนี้เพียงอย่างเดียวได้ทำให้พวกเขาอยู่ในแถวหน้าของ โครงการริเริ่มเคมีสีเขียว โดยการกำจัดสารประกอบอินทรีย์ระเหยง่าย (VOCs) เป็นสิ่งสำคัญอันดับแรก

นอกเหนือจากการเป็นของเหลวที่ไม่ระเหยแล้ว ยังมีของเหลวไอออนิกอีกด้วย เสถียรภาพทางความร้อนและไฟฟ้าเคมีที่ยอดเยี่ยม - IL จำนวนมากสามารถทำงานที่อุณหภูมิเกิน 200°C โดยไม่สลายตัว และหน้าต่างเคมีไฟฟ้าที่กว้าง (สูงถึง 6V ในบางระบบ) ทำให้อิเล็กโทรไลต์ในอุดมคติในการใช้งาน เช่น แบตเตอรี่ลิเธียมไอออน ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ และการชุบโลหะ - ธรรมชาติของไอออนิกภายในยังให้ค่าการนำไฟฟ้าไอออนิกสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในระบบที่ตัวทำละลายทั่วไปจะระเหยหรือสลายตัวภายใต้สภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย

ข้อได้เปรียบที่สำคัญอีกประการหนึ่งของของเหลวไอออนิกก็คือ ความสามารถในการปรับแต่งทางเคมี - นักวิทยาศาสตร์สามารถปรับคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความหนืด ความเป็นขั้ว ความชอบน้ำ หรือแม้แต่ความสามารถในการประสานงานได้ โดยการปรับเปลี่ยนไอออนบวกหรือประจุลบ สิ่งนี้ได้เปิดใช้งานการสร้าง ของเหลวไอออนิกเฉพาะงาน (TSIL) ออกแบบมาเพื่อบทบาทที่มีการคัดเลือกสูง เช่น ในการดักจับ CO₂ การประมวลผลชีวมวล หรือการเร่งปฏิกิริยาด้วยโลหะทรานซิชัน ความเป็นโมดูลของ IL ทำให้พวกมันเป็น "ตัวทำละลายที่ออกแบบ" สำหรับสภาพแวดล้อมทางเคมีที่ซับซ้อน

ในด้านของ การแยกและการสกัด ของเหลวไอออนิกมีข้อดีมากกว่าตัวทำละลายแบบเดิมหลายประการ ความสามารถในการละลายสารประกอบอินทรีย์และอนินทรีย์ได้หลากหลาย ควบคู่ไปกับความสามารถในการผสมกับน้ำหรือไฮโดรคาร์บอนไม่ได้ (ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบ) ช่วยให้ระบบสกัดของเหลว-ของเหลวมีประสิทธิภาพสูง IL ถูกนำมาใช้เพื่อ การกู้คืนธาตุหายาก การกำจัดสารประกอบกำมะถันออกจากเชื้อเพลิง และแม้แต่การสกัดโมเลกุลที่ออกฤทธิ์ทางชีวภาพจากพืช .

ใน การเร่งปฏิกิริยา ทั้งในฐานะตัวทำละลายและตัวเร่งปฏิกิริยาร่วม IL ช่วยเพิ่มความสามารถในการคัดเลือกและผลผลิตของปฏิกิริยา ขณะเดียวกันก็ทำให้การแยกผลิตภัณฑ์ง่ายขึ้น สารเชิงซ้อนของโลหะทรานซิชันจำนวนมากแสดงความเสถียรและกิจกรรมที่ดีขึ้นในสื่อ IL น่าสังเกตคือมีการใช้ของเหลวไอออนิก ปฏิกิริยาไฮโดรจิเนชันแบบอสมมาตร อัลคิเลชัน และปฏิกิริยาครอสคัปปลิ้ง มักจะอยู่ภายใต้สภาวะที่รุนแรงกว่าในระบบทั่วไป

การใช้งานของเหลวไอออนิกที่ล้ำสมัยที่สุดอย่างหนึ่งอยู่ในขอบเขตของ อุปกรณ์ไฟฟ้าเคมีและการจัดเก็บพลังงาน - อิเล็กโทรไลต์ที่มีพื้นฐานมาจาก IL กำลังถูกรวมเข้าไว้ด้วย แบตเตอรี่โลหะลิเธียม แบตเตอรี่โซเดียมไอออน เซลล์แสงอาทิตย์สีย้อมไวแสง (DSSC) และแม้แต่อิเล็กโทรไลต์โซลิดสเตต - ความเฉื่อยทางเคมีไฟฟ้า ไม่ติดไฟ และทนทานต่อความร้อนทำให้เกิดข้อได้เปรียบที่สำคัญในการปรับปรุงทั้งความปลอดภัยและประสิทธิภาพของระบบพลังงาน

แม้จะมีคำสัญญาไว้ แต่ของเหลวไอออนิกก็ไม่ได้ปราศจากความท้าทาย IL จำนวนมากยังคงมีราคาแพงในการสังเคราะห์ตามขนาด และบางส่วนก็ประสบปัญหา ความหนืดสูง ซึ่งจำกัดอัตราการถ่ายโอนมวล นอกจากนี้ แม้ว่า IL มักได้รับการส่งเสริมว่าเป็น "ตัวทำละลายที่เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม" ก็ตาม ความสามารถในการย่อยสลายทางชีวภาพและความเป็นพิษ แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับโครงสร้าง และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมในระยะยาวยังคงเป็นงานวิจัยเชิงรุก การจัดการข้อกังวลเหล่านี้ผ่านเส้นทางการสังเคราะห์ที่ยั่งยืนยิ่งขึ้นและการวิเคราะห์วงจรชีวิตที่ครอบคลุมจะเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการนำไปใช้ในวงกว้าง

อนาคตของของเหลวไอออนิกเป็นแบบสหวิทยาการมากขึ้น ใน วัสดุศาสตร์ , IL ถูกใช้เป็นตัวทำละลายและแม่แบบในการสังเคราะห์วัสดุนาโน โครงข่ายโลหะ-อินทรีย์ (MOF) และโพลีเมอร์นำไฟฟ้า ใน เทคโนโลยีชีวภาพ ซึ่งช่วยให้เอนไซม์คงตัว การสกัดโปรตีน และแม้กระทั่งการจัดการ DNA ภายใต้สภาวะที่ไม่คุ้นเคย บทบาทที่เป็นไปได้ของพวกเขาใน การดักจับและการใช้คาร์บอน (CCU) เทคโนโลยียังได้รับแรงผลักดัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาจากความสัมพันธ์ระหว่าง CO₂ และความต้านทานความร้อนสูง