离子液体在金属生产中的应用研究进展

离子液体在金属生产中的应用研究进展

高畅  

江苏省盐城技师学院   224000

摘要：离子液体作为有潜力的绿色电化学介质具有不挥发、稳定性好、结构可调、无毒、对环境友好等特点，在金属生产、电解、电镀、电催化、电分析化学等领域具有非常好的应用前景。离子液体作为一种相对友好的溶剂体系正在被人们认识和接受。离子液体作为反应介质具有更宽的液态范围和几乎可以忽略的蒸汽压，并且可以重复使用，这在环境问题日益引起人们关注的今天显得尤为重要。在明确离子液体替代传统溶剂是发展的必然基础上，本文主要简要介绍了离子液体的合成、性质、组成，及其在分离金属离子中的应用。如：离子液体AlCl/EtNHCl 中电沉积法制备金属铝，离子液体在金属电解中的应用等等

关键词： 离子液体； 金属生产； 研究进展

1 引言

离子液体是指全部由离子组成的液体。在室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，称为室温离子液体、室温熔融盐、有机离子液体等。离子液体是一类在室温或低温下为液体的盐, 通常为无色液体, 由含氮、磷有机阳离子和大的无机阴离子组成,蒸气压低,不挥发,不可燃,低毒性,对无机和有机材料表现出良好的溶解能力,具有很好的导电性和较宽的电化学窗口, 常被作为反应和分离技术中的绿色替代溶剂和电化学过程的介质。也可以作为一些非水的两相催化反应的溶剂，具有更宽的液态范围和几乎可以忽略的蒸汽压等。离子液体在无机及纳米材料的制备应用上则还处于初步阶段,尚有许多问题值得研究。

2 离子液体简介

2.1 离子液体的理化性能

离子液体是仅由离子组成的一类新型液体。虽然高温熔盐也符合此定义，但文献中通常把熔点低于100℃的熔盐称作室温离子液体。

2.2 离子液体的合成

离子液体通常的定义是一种完全由离子组成的液体（一般小于100℃），离子间的作用力主要是库仑力。由于组成离子液体的阴、阳离子种类繁多，而且随着离子液体中阳离子和阴离子的变化，离子液体的物理和化学性质将在很大的范围内发生相应的变化。因此，人们可以根据需要设计合成出不同特性的离子液体，离子液体的合成大体上有两种基本方法：直接合成法和两步合成法。

2.2.1 直接合成法

直接合成法可以通过酸碱中和反应或季胺化反应等一步合成离子液体，操作经济简便，没有副产物，产品易纯化。Hlrao等酸碱中和法合成出了一系列不同阳离子的四氟硼酸盐离子液体。另外，通过季胺化反应也可以一步制备出多种离子液体，如卤化1-烷基3-甲基咪唑盐，卤化吡啶盐等。

2.2.2 两步合成法

直接法难以得到目标离子液体，必须使用两步合成法。两步法的第一步是将叔胺与卤代烃反应合成季铵的卤化盐，第二步将季铵的卤化盐中的卤素离子交换成所要的离子。第一步：季铵的卤化盐的合成。先将叔胺与卤代烃反应，合成季铵的卤化盐，然后用目标阴离子置换出卤素离子或加入Lewis酸来得到目标离子液体。 第二步：离子交换。

3 离子液体的应用

由于离子液体所具有的独特性能，它被广泛应用于化学研究的各个领域中。离子液体作为反应的溶剂已被应用到多种类型反应中。

3.1 金属Al和不锈钢在BF离子液体中的电化学

3.1.1 金属Al在BF中的氧化还原行为和电化学行为

将表面处理过的金属Al作为工作电极在BF4进行循环伏安扫描,得 1。从 1 可以看出在3～-3 V 电位范围没有出现任何氧化和还原峰, 说明在BF离子液体中Al具有非常稳定的化学性质, 因此在BF4 离子液体中可以将金属Al 作为参比电极用于电化学研究。

3.1.2 不锈钢在BF4中的电化学行为

将表面处理过的不锈钢在BF离子液体中进行循环伏安扫描,得 2。 2中正扫描电位从0.6V开始出现比较低宽的氧化峰,回扫电位在-0.6V开始出现比较低宽的还原峰,氧化峰和还原峰的形状和电位对称,说明其氧化和还原过程具有可逆性。不锈钢在BF离子液体中不稳定,容易氧化和还原,由于出现的峰是比较低的宽峰。

3.2 离子液体AlCl/EtNHCl中电沉积法制备金属铝

3.2.1 离子液体的电导率

不同比例AlCl/EtNHCl离子液体的电导率值随温度升高逐步升高。这是因为,温度升高导致离子液体的粘度下降和离子运动速度增加引起的。离子液体电导率随温度变化而变化,说明此类离子液体的电导率随温度的变化符合Arrhenius规律。

3.2.2 恒电位沉积金属铝

研究了离子液体2AlCl/EtNHCl中铝片电极上恒电位沉积金属铝的工艺条件, 考察了电位、时间和温度等条件对电流效率和沉积铝形貌的影响.

为室温不同电位条件下电解1h的电流效率 。3表明,电位在-2.4V时电流效率最高.但局部都有堆积情形,可能是电极面积比较小、电位较高、电流较大、电解时间较长导致的。

3.3 离子液体在萃取分离金属离子的应用

金属离子的萃取分离是冶金工业中一个较为成熟的分离方法。它基于不同金属离子所形成的化合物在互不相溶的两相中分配比的差异，使有些金属离子从水相进入有机相而达到与其他金属离子分离的目的

。目前，用离子液体分离的金属离子有碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土及锕系金属以及核燃料后处理涉及的铀、钚及裂变产物等多种离子。研究表明：以离子液体代替有毒、易燃、易挥发的有机溶剂用于金属离子的萃取分离，不但可以得到较高的萃取分离效率，而且绿色环保。

3.4【RRIMl+[BF】-离子液体中链状纳米金的制备

3.4.1 l-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体的红外光谱

1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体的制备。以N-甲基咪唑和溴代正丁烷为起始原料，采用两步法合成了1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体。第1步是由N-甲基咪唑与溴代正丁烷反应制得溴代盐，第2步是溴代盐与四氟硼酸钠NaBF4发生离子交换制备1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体。

是1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体的红外谱 。由 5可见，3156 cml的特征谱带是咪唑环上C-H伸缩振动；2962、2874和1384cm以的特征谱带分别属于甲基上C。H的反对称伸缩振动、对称伸缩振动和弯曲振动；2936和1463cmd的谱是分别属于亚甲基C-H的反对称伸缩振动和弯曲振动；1339Clll。1的谱属于C-N伸缩振动；1059 eml的谱属于阴离子BF。的伸缩振动。此结果与文献值吻合，说明合成的离子液体为1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

3.4.2 纳米金的TEM分析

在固定[BMIM]+[BF]离子液体和氯金酸的质量比条件下，改变硼氢化钠的用量，金纳米粒子的大小和形貌没有明显的改变。金纳米颗粒的圆形度较差，粒径不够均匀，单分散性较差，纳米金粒子外观主要以链状为主，结节错落有致。金纳米粒子的形状是由不同晶面生长速度决定的，而晶面的生长速度是由晶体本身结构因素(原子间及结构基元间的结合方式、错位)和外部因素(过饱和度、温度、溶剂等)共同决定的。在金纳米粒子的生长过程中，粒子的(100)和(110)晶面被吸附的离子液体覆盖，晶体生长主要发生在粒子(001)面方向。因而粒子在一维方向的生长是导致金纳米粒子长径比改变的主要因素。在外部因素中，离子液体对于晶体生长起着重要作用。离子液体不仅作为绿色溶剂，还作为吸附剂以及包覆剂，对金占貅的成核及生长有重要作用。

参考文献

[1] 陈丽华,,金属Al和不锈钢在[ bmim] BF离子液体中的电化学[J].化工技术与开发,2019.2

[2]李中春, 高丽霞, , 【RRIMl+[BF】-离子液体中链状纳米金的制备[J]. 稀有金属材料与工程,2019.8