一、离子液体的意义及发展状况

20世纪以来,化学工业的发展为人类创造了巨大的物质财富,促进了人类社会的文明与进步,但许多工业化学品的生产和使用也产生了严重的环境污染问题,资源和能源日渐减少,大量排放的污染物使人类的生态环境迅速恶化。近年来,人们从生存和发展的经验教训中逐步认识到环境保护和可持续发展的重要性,实施从源头控制污染和清洁生产的战略已成为世界性的共识。近年来离子液体作为新的用于对环境温和的工业工艺的溶剂，一种极具潜力的新型绿色溶剂引起了广泛关注^[1]。

离子液体，又称室温熔盐，是由有机阳离子和无机或有机阴离子组成的，在室温或室温附近（lt;100℃）呈液态的盐，与一般离子化合物有着非常不同的性质和行为。作为可以代替传统的有机溶剂介质的新型溶剂，离子液体具有液态温度区间较高，蒸汽压可以忽略，高热稳定性、高化学稳定性、热容量大、良好电化学性、可调控的对极性及非极性物质的良好溶解性等优良特性^[2]。离子液体的最大特征在于其”可设计性” ^[3]。通过选择适当的阴离子、阳离子及改变阳离子的取代基即可在一定程度上设计离子液体。例如咪哇型六氟磷酸盐和四氟硼酸盐离子液体的熔点和密度可以通过调节咪哇环上取代基的链长而改变。选择不同的阴离子可以对离子液体的水溶性有决定性的改变,如大部分咪哇阳离子的卤素、硝酸、醋酸以及硫酸氢盐等能与水混溶,而六氟磷酸、三氟甲基磺酞亚胺的咪哇盐与水不混溶,四氟硼酸、三氟甲基磺酸咪哇盐与水是否混溶取决于咪哇环上的取代基^14]。鉴于以上几点，离子液体在许多领域得到了广泛应用并迅速发展成为研究热点。目前,其应用领域从化学合成和电化学扩展到萃取分离^[5]、分析测试^[6]、材料科学^[7]、环境科学^[8]以及核科学^[9]等。离子液体的部分应用己经由实验室转移到中试规模的车间,向工业化迈进^[10]。

EAN离子液体是Walden等人于1194年制备出来的第一个离子液体。1951年Hurley和Wiler首次合成了室温下是液体状态的离子液体。到1976年，美国Colorado州立大学的Robert利用AlCl3/[N-EtPy]Cl作电解液，进行有机电化学研究时，发现这种室温离子液体是很好的电解液，能和有机物混溶，不含质子，电化学窗口较宽^[11]。1992年Wilkes以1-甲基-3-乙基咪唑为阳离子合成出氯化1-甲基-3-乙基咪唑，在摩尔分数为50%的AlCl3存在下，其熔点达到了8℃^[12]。同传统的氯铝酸盐离子液体相比,这一类新型的离子液体具有对水和空气稳定,种类多样等优点,非常适合作反应介质。可以说,正是由于Wilkes的开拓性工作,离子液体的研究才得以蓬勃地发展起来。进入21世纪后,对离子液体的研究进入全面发展阶段。各种功能化的离子液体先后被开发出来,离子液体的种类更加的多样化。但同时如何从众多的离子液体中选择最合适的离子液体也成为一个难题。因此,如何根据各种研究工作的需要设计离子液体成为离子液体研究者在世纪的追求目标。

二、碳纳米管的意义及发展情况

碳纳米管的发现是人类研究纳米科技的重大成果。1991 年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这就是碳纳米管。日本NEC 公司基础研究实验室的Iijima 教授在给Nature 杂志的信中宣布合成了一种新的碳结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而成,直径大约在1 到30nm 之间,长度可达到1μm。进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并可看成是由单层石墨片卷曲而成的中空网状结构。相邻管子之间的距离约为0. 34nm ,与石墨中碳原子层与层之间的距离0. 335nm 相近,所以这种结构一般被称为碳纳米管。这是继C60之后发现碳的又一同素异形体,是碳团簇领域的又一重大科研成果。1992年，Ebbsen等提出了实验室规模合成碳纳米管的方法为研究碳纳米管的性质迈进了一大步^[13]。

按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。按照碳纳米管的结构特征可分为三种类型：扶手椅形纳米管，锯齿形纳米管和手性纳米管^[14]。

碳纳米管的抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级。除此以外，它的高弹性和弯曲刚性估计可以由超过兆兆帕的杨氏模量的热振幅测量证实。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多^[15]。在大气氧化条件下，碳纳米管在973K的温度下失重很少，结构基本没有发生变化。碳纳米管在酸、碱的长时间浸泡下，结构基本不发生破坏。碳纳米管还能抗扭转力引起的畸变，在许多情况下，纳米管可以在卸载时恢复原来的截面，不象石墨纤维，压缩时易破坏。压缩的纳米管形成波峰状的纽结，卸载后，能弹性地松弛^[16]。

由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当碳纳米管的管径大于6mm时，导电性能就下降；当管径小于6mm时，碳纳米管可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。