• 研究背景

离子液体是完全由阴、阳离子构成且含有特殊氢键的一类绿色介质，具有诸多优异的特性（如：宽液程、结构可设计、蒸汽压极低、热稳定性好、电压窗口宽等），在化学化工、能源存储、资源利用、高端材料、生物医药等领域的应用前景广阔，是近些年绿色化工领域研究的前沿方向之一。然而，离子液体体系不同于常规的分子溶剂体系，许多传统的理论模型无法直接适用，给基于离子液体体系的绿色工程应用带来极大挑战。

摘要图. 离子液体的基本概念与广泛应用

• 展望内容

近日，我团队基于前期关于离子液体在CO₂捕集转化、生物质高值利用、新能源存储等方面的研究成果，围绕“Z键”和“准液体”两个基本概念撰写了离子液体科学本质方面的研究展望。

图 1. 离子液体构成、Z键与准液体

该展望从最基本的氢键出发，系统地介绍了常见的氢键判定方法，包括电负性、几何结构、电子密度、红外与核磁等，分析了水、生命体系及离子溶液体系中氢键的典型特征与异同。对于离子液体体系，内部的氢键作用与静电作用会发生明显耦合，呈现出不同于传统氢键的几何与电子密度特征，并诱导离子液体的晶体构型呈现出Zigzag排布特征，为了将这种耦合作用与传统氢键进行区分，将其称之为Z键。Z键的主要特征包括：1）由于静电作用的耦合，Z键中质子供、受体之间的电子转移明显强于水或有机体系中的氢键；2）Z键的键角通常介于120°至150°，可以视为一种弯曲的氢键；3）Z键中质子供、受体之间发生明显的轨道重叠现象，并一定程度呈现出“共价键”内禀特征。

图 2. 氢键的判定方法与概念拓展

基于Z键的强相互作用和方向性，可以进一步诱导离子液体形成团簇、囊泡等多种纳微结构，使其呈现出特殊的物理化学性质，从而在CO₂捕集转化、生物质溶解、超级电容器等领域发挥更大作用。在实际应用过程中，离子液体-固体界面广泛存在（如：催化剂、电极、多孔载体等）。在固体表面或纳米孔道区域，离子液体Z键与表面会发生电荷极化，诱导离子液体发生界面自组装，形成超薄的离子液体界面体系，即准液体。准液体的离子密度、扩散特性、传质规律、电子结构等与纯液体及固体差异显著，并在分离、催化、电化学等方面应用广泛。

图 3. 离子液体准液体的主要特征

最后，对离子液体Z键和准液体的科学本质研究进行了展望，并对未来可能面临的机遇与挑战进行了讨论，主要包括：1）界面离子液体的高精度长时间模拟；2）Z键断裂-形成动力学的超快光谱直接探测与识别；3）离子液体准液体的原位实时直接观测技术；4）多场耦合作用下的离子液体Z键与准液体的结构-功能预测。

该展望于2022年2月1日以“Insights into Ionic Liquids: From Z-bonds to Quasi-liquids”发表于 JACS Au 期刊上。研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院青年创新促进会、多相复杂系统国家重点实验室、中科院绿色制造创新研究院等项目基金的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacsau.1c00538

文章信息：Yanlei Wang, Hongyan He*, Chenlu Wang, Yumiao Lu, Kun Dong, Feng Huo and Suojiang Zhang*,  Insights into Ionic Liquids: From Z-Bonds to Quasi-Liquids, JACS Au, DOI: 10.1021/jacsau.1c00538