高鑫教授Chem. Rev.详述：当微波遇上离子液体—微波能化工应用的新契机

高鑫教授Chem. Rev.详述：当微波遇上离子液体—微波能化工应用的新契机

微波能量的高效转化与利用一直是微波能化工应用领域的热点和瓶颈问题。与依赖于热传导的传统热量传递方式不同，非接触式和选择性的微波加热方式可以通过电磁波-离子相互作用向物质传递能量，但这一过程的效率很大程度取决于物质对微波能量的吸收能力，也就是物质与微波频段电磁波的相互作用能力。离子液体作为一种室温下呈液态状的离子化合物具有极强的微波响应特性，同时离子液体本身凭借其出色的溶解性和良好的热物理性质成为化工催化反应、分离过程的重要介质。为此，微波技术不仅在离子液体合成效率方面具有大幅提升的潜力，而且灵活可调的结构与强微波吸收能力使离子液体易于与微波能在化工过程中协同使用，并衍生出离子液体作为新媒介的微波化工新兴技术（MAIL）。

物质绿色创造与制造海河实验室科研骨干、天津大学高鑫教授课题组在Chemical Reviews以“Microwave Encounters Ionic Liquid: Synergistic Mechanism, Synthesis and Emerging Applications”为题，全面总结报道了MAIL技术的协同强化机制，基于微波对离子液体加热特性的讨论，以及其在材料合成和一些新兴领域的化工过程强化潜力，天津大学和物质绿色创造与制造海河实验室是论文完成单位。

MAIL助力材料构筑

文章总结了微波与离子液体协同强化材料合成领域的机理与应用型研究，包括金属纳米颗粒、金属氧化物、金属硫化物、分子筛等晶体材料，以及石墨烯、碳量子点等碳材料。

图1 MAIL技术在晶体合成领域的机理总结。离子液体凭借其独特结构，可以充当晶体合成过程中的模板剂、保护剂甚至作为反应物参与到材料制备中。在此过程中，离子液体充当热源，利用微波对离子液体的选择性加热，诱导晶体快速成核生长，实现材料的高效合成。

图2 MAIL诱导石墨烯剥离。二维材料是现代化工不可或缺的变革性材料，石墨烯相关技术的快速崛起对单层石墨烯的大批量、低成本生产提出了更高的要求。通过利用离子液体插层至石墨片层内部，通过微波对体系的超快加热，可以诱导片层在极短时间内剥离，为未来高端材料的制备奠定了良好基础。

MAIL技术的新兴应用

文章综述了微波与离子液体的协同作用在催化、分离、医疗、环境等领域的一些新兴应用，总结了MAIL技术在该领域的应用研究报道，通过分析讨论了技术优势和强化机理，对未来应用提出了新的研究思路。

图3 MAIL技术在生物柴油生产领域的应用。利用废旧生物质资源合成生物柴油是应对当前能源危机的一种重要解决途径，通过将生物基油酸或油酸酯与甲醇进行酯化/酯交换反应，可以获得高性能生物柴油。在此过程中通过添加改性离子液体，既可以作为反应的催化剂，又可以作为微波敏化剂，利用微波对离子液体选择性加热实现反应速率的大幅提升，同时离子液体易于与反应体系分离，为生物柴油生产过程的清洁高效转型提供了新思路。

图4 MAIL技术辅助热化学协同治疗原理。通过在空心纳米胶囊中封装离子液体和药物，其中离子液体作为微波敏化剂。当纳米胶囊到达病灶部位，离子液体强大的吸波能力使纳米胶囊在极低功率微波辐射下即可产生局部高温，而周围组织细胞的温度并无明显提升。局部高温一方面可以诱导目标组织的消融和凋亡，同时可以诱使纳米胶囊释放出药物成分，实现药物在体内的微小区域定点投放。

图5 微波与离子液体协同强化木质纤维素解离的机制。离子液体通过与木质素内氢键的特异性结合以破坏木质素结构稳定性，微波对离子液体的选择性输能不仅诱使细胞破裂，而且加速解离反应的发生，从而实现木质素与纤维素的高效分离，这一强化效应已经被广泛应用于生物炼制领域的研究。

前景展望

在基础理论方面，既然大部分微波与离子液体协同强化机理均是源于微波对离子液体选择性输入能量，而这一机理由于强电磁场环境下实验手段的限制目前未获得充分证实，也导致微波协同作用机制尚缺乏共识。因此，未来该领域基础研究的重点应着力于突破“molecular radiators”假说，可以考虑结合荧光 技术、拉曼技术等开发合理的微波场原位观测方法。

在研究手段方面，应当呼吁该领域的研究人员在发表论文过程中公布尽可能多的实验细节，因为微波与离子液体的组合使过程加速的同时，也导致产品品质对于合成条件较为敏感。这往往导致更换实验设备后由于电磁场分布、微观流体流动与传热等差异导致实验重复性变差，使研究结论缺乏通用性。

在应用研究方面，MAIL技术走向工业应用的最大障碍仍在于离子液体材料和微波设备高昂的成本，使众多企业望而却步。“杀鸡焉用牛刀？”为解决这个问题，首先需要挖掘MAIL技术在高端材料合成方面的独特优势，应用对象应着眼于常规手段所不能实现的革命性材料，而非在低端材料领域同质化竞争。除此之外，离子液体在临床治疗、催化、分离等领域的生物毒性与环境绿色度也应该着重评价。

本文原文来自Chemical Reviews，第一作者为赵振宇，通讯作者为天津大学化工学院、物质绿色创造与制造海河实验室科研骨干李洪教授和高鑫教授。