蘇州大學嚴鋒課題組Chem. Soc. Rev. 綜述：聚離子液體合成與應用研究進展?

聚離子液體(Poly(ionic liquid)s)是指由離子液體單體聚合生成的，在重復單元上具有陰、陽離子基團的一類離子液體聚合物，兼具離子液體和聚合物的優良性能。功能化聚離子液體是由功能化離子液體發展而來, 并且克服了離子液體的流動性。該類研究著眼于結構可控性質，設計合成具有特殊性能的、穩定的、功能化材料。近年來已經在高分子化學、電化學、材料科學及能源科學等領域得到廣泛應用。

近期，蘇州大學材料與化學化工學部嚴鋒教授在英國皇家化學會旗下著名期刊?Chem. Soc. Rev.?發表題為“Frontiers in poly (ionic liquid)s: syntheses and applications”的綜述，詳細介紹了聚離子液體的性質與合成方法，以及形貌結構的控制，重點整合了近幾年聚離子液體功能材料在電化學儲能、智能響應性材料、聚離子液體基碳材料、聚離子液體改性材料、催化、吸附分離等相關領域的研究與應用。

聚離子液體的合成和應用領域

聚離子液體合成與性質

聚離子液體的常見化學結構種類

隨著組成結構的變化，聚離子液體可以以固體、液體或凝膠狀軟物質形式存在，多數情況下以固態為常見，可加工，且耐久，具有良好的化學相容性。與非離子型聚合物相比，聚離子液體突顯了優異的離子導電性、化學穩定性、不易燃燒等特性。但由于離子基團被固定在聚合物鏈上后，離子流動性降低，玻璃化轉變溫度升高，導致其粘度增大、電導率相應有所下降。實際應用中，可以通過增加載體離子濃度或者改變電解液結構來增加離子流動性等方法來提高聚離子液體電導率。?聚離子液體材料的親水/疏水性質的靈活可變調控，突顯其在功能高分子材料領域的重要地位。親疏水性的控制，在聚離子液體自組裝、表界面及智能相應材料應用方面顯得尤為重要。

聚離子液體的合成可以通過自由基引發聚合離子液體單體的方法實現。與離子液體性質類似, 人們可通過對聚離子液體的陰離子或陽離子的設計與組合，對聚離子液體進行分子結構設計，合成多種不同結構和功能的聚離子液體。利用陰離子交換對其功能化。可以在聚合前(單體)也可以在聚合后(聚合物)進行。?目前，多種聚合方法，如乳液聚合、分散聚合、懸浮聚合，控制自由基聚合，陰離子聚合，物理輔助聚合均被引入用于聚離子液體的合成。此外，聚離子液體可以通過自組裝、模板等方法來獲得不同的形貌結構，為不同領域的應用提供可能。

聚離子液體應用

（a）聚離子液體在電化學器件中的應用

由于聚合物可以在液體電解質中形成三維網絡結構，使液體電解質在凝膠網絡中進行固化，從而失去宏觀上的流動性。因此，較之于液態電解質，基于(準)固態電解質的電化學器件具有不易泄漏、安全性好的優勢，更接近實際應用。另外，聚合物(準)固態電解質可以配合電極材料制備成任意的形狀，符合外觀多樣性設計的需要，有利于電化學器件向小型化、超薄型化、柔性化方向發展。目前，聚離子液體作為聚合物電解質已經被設計用于燃料電池交換膜、染料敏化太陽能電池電解質、鋰電池和超級電容器電解質、電致變色器件和有機晶體管的電解質。此外，聚離子液體材料也已經研究作為電池的粘結劑，以及改性材料應用于電極材料。

聚離子液體凝膠電解質的合成及應用于電致變色器件

(Chem. Commun., 2017, 53, 1595–1598)

(b) 刺激響應材料

刺激響應性高分子材料是智能材料中的一種，它會在外界環境因素如溫度、pH、光、溶劑等刺激下，產生諸如相態、形狀、表面能、反應速率、滲透速率或識別等性能物理或化學性質的變化。有些材料可同時對兩種或兩種以上的刺激做出響應。刺激響應性高分子材料在?生物醫學、藥物控制釋放、基因載體、納米粒子以及納米反應器等眾多領域具有廣闊的應用前景。聚離子液體具有親疏水性以及結構的可設計性，選擇不同的鏈段或者引入不同的功能基團，可以制備具有不同響應性能的材料，如溫度響應，PH響應，光響應，氧化還原響應等，以及兼具多種響應性能的材料。

基于主客體作用的聚離子液體“搭扣”的氧化還原刺激響應

(Chem. Sci., 2014, 5, 3261–3266)

(c) 聚離子液體基碳材料

納米碳材料在電子傳導能力和吸附能力等方面都具備常規材料無法比擬的優勢。目前基于聚離子液體在碳材料方面的應用主要有以下兩大途徑：（１）利用聚離子液體的分子可設計性，引入氮、硫、磷、硼、鉬、鐵等雜元素，制備單摻雜或者多摻雜的納米碳材料，豐富碳材料的活性位點種類或增加電化學有效活性面積；（２）將具有良好的熱穩定性，較高的離子導電性，出色的離子交換能力的聚離子液體，與納米碳材料結合制備高性能的納米雜化材料，具有改性互補的作用。基于聚離子液體的碳材料具有良好的導電性和導熱性、可設計調控的孔徑和表面性能，在催化劑和催化劑載體、超級電容器和鋰電池電極材料、吸附和氣體儲存等領域有廣泛應用前景。

基于離子交換方法的氮摻雜碳/Pt納米粒子復合物的制備

(J. Mater. Chem., 2012, 22, 13578–13584)

?(d) 催化劑、催化劑載體

相對于離子液體，聚離子液體具有更高的機械性，在催化領域更具有優勢。通常，聚離子液體在催化領域按作用可以分為催化劑、催化劑載體及預催化劑。通過選擇合適的陰陽離子，設計不同的分子結構，以及采用不同的聚合物加工技術，可以得到具有不同催化作用的聚離子液體，同時聚離子液體也是金屬納米粒子的良好載體，陰離子交換反應能使納米粒子均勻分散于聚合物骨架，從而制備高效非均相催化劑。

PIL–Pt 復合毛細管電極應用于氧還原反應

(Analyst, 2014, 139, 5964-5969)

(e)其他應用

聚離子液體吸附分離也是近年來研究非常活躍的領域。目前已有發現聚離子液體比相應單體具有更高的CO2?吸收能力和吸收速率，可通過改變壓力進行可逆的吸收/解吸收過程。此外，聚離子液體對氣體吸收具有很高選擇性。改變陰離子和陽離子上的取代基以及主鏈結構，能改變聚離子液體的氣體吸收容量。近來，聚離子液體也被研究人員開發應用于抗菌材料，海水滲透淡化材料，化學吸附劑，光阻劑，分散劑，穩定劑，以及有機電化學合成的支持電解質等。

結論

聚離子液體作為一種新型的聚合物，近年來成為國內外研究的熱點。 目前，研究內容主要集中在聚離子液體的分子設計、組成-結構-性能關系，以及功能材料的制備。隨著離子液體與聚離子液體理論研究的深入及應用技術的發展, 需要按照離子液體與聚離子液體產品的結構和性能的需求進行精細設計，合成更多性能優異的新型功能離子液體與聚離子液體材料，豐富其基礎化學理論。雖然針對聚離子液體的研究范圍已擴展到電學、?光學和與生物相關的研究領域，但聚離子液體的研究仍處于起步階段，其應用前景十分廣闊。

文獻鏈接：Frontiers in poly(ionic liquid)s: syntheses and applications?(Chem. Soc. Rev., 2017,46, 1124-1159)

背逆時光編輯整理。

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