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近日,北京理工大学生命学院绿色生物制造课题组在国际顶级期刊《Advanced Functional Materials》(影响因子18.808)发表题为《Roles of Ionic Liquids in Adjusting Nature of Ionogels: A Mini Review》的综述,文章综述了离子液体在调控离子凝胶的结构和性能方面发挥的作用。该文章通讯作者为阎继鹏副教授和孙剑教授,第一作者为北京理工大学生命学院2020级硕士生罗志鸿。

图1. 离子凝胶相比于水凝胶的特殊性能

離子凝膠是一種具有類凝膠結構和離子導電性的固態混合物,通常是由高分子有機聚合物和可電解爲離子的鹽類電解質材料混合而成。將離子液體限制在三維聚合物網絡中可以形成具有特定結構和性質的離子凝膠。由于離子液體的存在,離子凝膠具有很多獨特的功能,如:導電性、優良的電化學穩定性、寬溫度範圍內性質的穩定性、抗凍和抗菌性等,並且在儲能、傳感、3D打印和生物醫學等領域具有非常廣泛的用途。研究和理解離子液體對離子凝膠的結構、性質和應用的影響規律和作用機制,對于發展高性能離子凝膠,拓寬和深化其應用領域具有重要意義。基于近年來的諸多研究進展,本綜述圍繞離子液體可能發揮的氫鍵、靜電、主客體、親疏性及溶劑化等不同作用,較爲系統地總結和評述了離子液體對離子凝膠結構和功能的影響機制,並對相關挑戰和未來發展趨勢進行了初步地討論。

图2. 离子液体调控离子凝胶的结构和性质的示意图

離子液體在調節離子凝膠的結構和性質方面發揮著非常重要的作用。離子液體的可設計性爲發展具有特定結構和功能的離子凝膠、滿足不同的應用需求提供了諸多可能性。離子凝膠在結構和功能上與水凝膠有著顯著差異。1)作爲分散介質,由于強氫鍵和靜電相互作用,多數的離子液體對離子凝膠具有增塑作用,能夠改變其結晶結構,進而使離子凝膠相較水凝膠具有更高的拉伸性、降低的楊氏模量、更大的孔徑和更低的結晶度等不同的結構和性質;2)作爲聚合物網絡的組分,聚離子液體與其他組分之間的氫鍵和靜電相互作用不僅可以提高離子凝膠的機械強度,還可以調控離子凝膠的形貌(如層狀堆疊、球形膠束或蠕蟲狀膠束等)和結構(如更小的孔徑、更高的孔密度等);3)通過主客體相互作用(如環糊精-離子液體等),可以設計合成不同的智能離子凝膠能夠實現對不同的外部刺激(如光和熱)作出響應;4)利用聚合物成分與離子液體的親疏相互作用,設計合成不同結構和性質的嵌段共聚物離子凝膠;5)基于離子液體對生物質分子(如纖維素、木質素和甲殼素等)的強溶解能力,可以獲得不同的生物質離子凝膠。

目前,通過離子液體的結構設計和作用力調控,可以制備具有熱穩定性、抗凍性、導電性和抗菌能力等獨特性能的離子凝膠。針對多數離子凝膠仍存在的應用過程中吸濕和由于離子液體粘度高導致的凝膠合成困難等問題,未來需要進一步地開展離子液體的構效關系研究,設計合成高性能的離子凝膠,從而發揮其在更廣泛領域的應用。

論文詳情:

Zhihong Luo, Wenjin Li, Jipeng Yan,* and Jian Sun*, Roles of Ionic Liquids in Adjusting Nature of Ionogels: A Mini Review, Advanced Functional Materials, 2022, 2203988. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202203988


附課題組簡介:

绿色生物制造课题组围绕国家“双碳”和可持续发展战略需求,注重化学、生物、化工、材料等多学科交叉融合,开展功能化离子液体基础及应用研究,具体方向包括功能化离子液体设计及微环境作用,生物基化学品和材料合成,光、电、热、生物等过程耦合,以及仿生功能器件构建等。课题组长为孙剑教授,博导,北京理工大学特立青年学者,中国纤维素行业协会技术委员会副主任,中国化工学会离子液体专委会委员,中国膜工业协会医药生物用膜技术委员会委员。长期从事基于离子液体的绿色过程研究,在Chem. Soc. Rev., Energy Environ. Sci., Chem. Eng. J., Adv. Funct. Mater. 等国际著名期刊发表学术论文80余篇,授权中国发明专利20余项、美国专利3项、日本专利1项;主持和参与国家自然科学基金等项目10余项;现担任  Energy Environ. Mater., Chinese J. Chem. Eng., Green Chem. Eng. 等期刊青年编委。课题组阎继鹏副教授,博导,中国化工学会过程强化专业委员会青年委员。长期从事生物质的高效绿色转化,生物基材料及化学品的开发与利用。在相关领域重要期刊发表SCI论文20余篇。主持/骨干参与生物基材料/化学品商业化转化项目25项。曾多次荣获美国劳伦斯伯克利实验室突出贡献奖。


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