苏州大学严锋课题组Chem. Soc. Rev. 综述：聚离子液体合成与应用研究进展

聚离子液体(Poly(ionic liquid)s)是指由离子液体单体聚合生成的，在重复单元上具有阴、阳离子基团的一类离子液体聚合物，兼具离子液体和聚合物的优良性能。功能化聚离子液体是由功能化离子液体发展而来, 并且克服了离子液体的流动性。该类研究着眼于结构可控性质，设计合成具有特殊性能的、稳定的、功能化材料。近年来已经在高分子化学、电化学、材料科学及能源科学等领域得到广泛应用。

近期，苏州大学材料与化学化工学部严锋教授在英国皇家化学会旗下著名期刊 Chem. Soc. Rev. 发表题为“Frontiers in poly (ionic liquid)s: syntheses and applications”的综述，详细介绍了聚离子液体的性质与合成方法，以及形貌结构的控制，重点整合了近几年聚离子液体功能材料在电化学储能、智能响应性材料、聚离子液体基碳材料、聚离子液体改性材料、催化、吸附分离等相关领域的研究与应用。

聚离子液体的合成和应用领域

聚离子液体合成与性质

聚离子液体的常见化学结构种类

随着组成结构的变化，聚离子液体可以以固体、液体或凝胶状软物质形式存在，多数情况下以固态为常见，可加工，且耐久，具有良好的化学相容性。与非离子型聚合物相比，聚离子液体突显了优异的离子导电性、化学稳定性、不易燃烧等特性。但由于离子基团被固定在聚合物链上后，离子流动性降低，玻璃化转变温度升高，导致其粘度增大、电导率相应有所下降。实际应用中，可以通过增加载体离子浓度或者改变电解液结构来增加离子流动性等方法来提高聚离子液体电导率。 聚离子液体材料的亲水/疏水性质的灵活可变调控，突显其在功能高分子材料领域的重要地位。亲疏水性的控制，在聚离子液体自组装、表界面及智能相应材料应用方面显得尤为重要。

聚离子液体的合成可以通过自由基引发聚合离子液体单体的方法实现。与离子液体性质类似, 人们可通过对聚离子液体的阴离子或阳离子的设计与组合，对聚离子液体进行分子结构设计，合成多种不同结构和功能的聚离子液体。利用阴离子交换对其功能化。可以在聚合前(单体)也可以在聚合后(聚合物)进行。 目前，多种聚合方法，如乳液聚合、分散聚合、悬浮聚合，控制自由基聚合，阴离子聚合，物理辅助聚合均被引入用于聚离子液体的合成。此外，聚离子液体可以通过自组装、模板等方法来获得不同的形貌结构，为不同领域的应用提供可能。

聚离子液体应用

（a）聚离子液体在电化学器件中的应用

由于聚合物可以在液体电解质中形成三维网络结构，使液体电解质在凝胶网络中进行固化，从而失去宏观上的流动性。因此，较之于液态电解质，基于(准)固态电解质的电化学器件具有不易泄漏、安全性好的优势，更接近实际应用。另外，聚合物(准)固态电解质可以配合电极材料制备成任意的形状，符合外观多样性设计的需要，有利于电化学器件向小型化、超薄型化、柔性化方向发展。目前，聚离子液体作为聚合物电解质已经被设计用于燃料电池交换膜、染料敏化太阳能电池电解质、锂电池和超级电容器电解质、电致变色器件和有机晶体管的电解质。此外，聚离子液体材料也已经研究作为电池的粘结剂，以及改性材料应用于电极材料。

聚离子液体凝胶电解质的合成及应用于电致变色器件

(Chem. Commun., 2017, 53, 1595–1598)

(b) 刺激响应材料

刺激响应性高分子材料是智能材料中的一种，它会在外界环境因素如温度、pH、光、溶剂等刺激下，产生诸如相态、形状、表面能、反应速率、渗透速率或识别等性能物理或化学性质的变化。有些材料可同时对两种或两种以上的刺激做出响应。刺激响应性高分子材料在 生物医学、药物控制释放、基因载体、纳米粒子以及纳米反应器等众多领域具有广阔的应用前景。聚离子液体具有亲疏水性以及结构的可设计性，选择不同的链段或者引入不同的功能基团，可以制备具有不同响应性能的材料，如温度响应，PH响应，光响应，氧化还原响应等，以及兼具多种响应性能的材料。

基于主客体作用的聚离子液体“搭扣”的氧化还原刺激响应

(Chem. Sci., 2014, 5, 3261–3266)

(c) 聚离子液体基碳材料

纳米碳材料在电子传导能力和吸附能力等方面都具备常规材料无法比拟的优势。目前基于聚离子液体在碳材料方面的应用主要有以下两大途径：（１）利用聚离子液体的分子可设计性，引入氮、硫、磷、硼、钼、铁等杂元素，制备单掺杂或者多掺杂的纳米碳材料，丰富碳材料的活性位点种类或增加电化学有效活性面积；（２）将具有良好的热稳定性，较高的离子导电性，出色的离子交换能力的聚离子液体，与纳米碳材料结合制备高性能的纳米杂化材料，具有改性互补的作用。基于聚离子液体的碳材料具有良好的导电性和导热性、可设计调控的孔径和表面性能，在催化剂和催化剂载体、超级电容器和锂电池电极材料、吸附和气体储存等领域有广泛应用前景。

基于离子交换方法的氮掺杂碳/Pt纳米粒子复合物的制备

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

(d) 催化剂、催化剂载体

相对于离子液体，聚离子液体具有更高的机械性，在催化领域更具有优势。通常，聚离子液体在催化领域按作用可以分为催化剂、催化剂载体及预催化剂。通过选择合适的阴阳离子，设计不同的分子结构，以及采用不同的聚合物加工技术，可以得到具有不同催化作用的聚离子液体，同时聚离子液体也是金属纳米粒子的良好载体，阴离子交换反应能使纳米粒子均匀分散于聚合物骨架，从而制备高效非均相催化剂。

PIL–Pt 复合毛细管电极应用于氧还原反应

(Analyst, 2014, 139, 5964-5969)

(e)其他应用

聚离子液体吸附分离也是近年来研究非常活跃的领域。目前已有发现聚离子液体比相应单体具有更高的CO2 吸收能力和吸收速率，可通过改变压力进行可逆的吸收/解吸收过程。此外，聚离子液体对气体吸收具有很高选择性。改变阴离子和阳离子上的取代基以及主链结构，能改变聚离子液体的气体吸收容量。近来，聚离子液体也被研究人员开发应用于抗菌材料，海水渗透淡化材料，化学吸附剂，光阻剂，分散剂，稳定剂，以及有机电化学合成的支持电解质等。

结论

聚离子液体作为一种新型的聚合物，近年来成为国内外研究的热点。 目前，研究内容主要集中在聚离子液体的分子设计、组成-结构-性能关系，以及功能材料的制备。随着离子液体与聚离子液体理论研究的深入及应用技术的发展, 需要按照离子液体与聚离子液体产品的结构和性能的需求进行精细设计，合成更多性能优异的新型功能离子液体与聚离子液体材料，丰富其基础化学理论。虽然针对聚离子液体的研究范围已扩展到电学、 光学和与生物相关的研究领域，但聚离子液体的研究仍处于起步阶段，其应用前景十分广阔。

文献链接：Frontiers in poly(ionic liquid)s: syntheses and applications(Chem. Soc. Rev., 2017,46, 1124-1159)

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