利用红外光谱和拉曼光谱研究离子液体结构与相互作用的进展

doi:10.3866/PKU.WHXB20101123

摘要/Abstract

摘要：

热力学实验、理论计算以及计算机模拟是离子液体微观结构与相互作用研究中常用的三种手段, 但是目前采用这些手段对离子液体结构的认识尚处于初步探索阶段, 还没有完全找到离子液体性质随结构变化的规律, 尚未完全能够对离子液体进行“设计”, 这也使得对离子液体的进一步开发和应用受到极大的限制. 近年来,谱学方法成为研究溶液结构的重要手段. 其中, 红外光谱(IR)和拉曼光谱(Raman)等谱学手段在离子液体的结构与相互作用研究中发挥着越来越重要的作用.本文着重概述了红外光谱和拉曼光谱在纯离子液体及离子液体混合溶液结构与相互作用方面的研究进展、挑战以及发展方向.

关键词: 离子液体, 红外光谱, 拉曼光谱, 结构, 相互作用

Abstract:

Experimental methods, theoretical calculations as well as computer simulations are the three most often used approaches to investigate the microscopic properties and interactions of ionic liquids (ILs). The relationship between the structure and properties of ILs, which is the foundation for designing new functional ionic liquids and promoting their applications in cleaner production, are not thoroughly understood. Recently, spectroscopic methods have been developed to study the structures of solutions. Among the various spectroscopic methods, infrared spectroscopy and Raman spectroscopy play important roles in investigations on the structural properties and interactions of ionic liquids. We thus review the applications and progress of these two spectroscopic methods on structural and property studies of pure ionic liquids and ionic liquids/solvent mixtures. Additionally, we address the associated challenges and prospects.

Key words: Ionic liquid, IR spectrum, Raman spectrum, Structure, Interaction

张力群, 李浩然. 利用红外光谱和拉曼光谱研究离子液体结构与相互作用的进展[J]. 物理化学学报, 2010, 26(11), 2877-2889. doi: 10.3866/PKU.WHXB20101123

ZHANG Li-Qun, LI Hao-Ran. Progress of Investigations on Structures and Interactions of Ionic Liquids by Infrared Spectroscopy and Raman Spectroscopy[J]. Acta Phys. -Chim. Sin. 2010, 26(11), 2877-2889. doi: 10.3866/PKU.WHXB20101123

链接本文: https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB20101123

https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/Y2010/V26/I11/2877

参考文献

1. Brennecke, J. F.; Maginn, E. J. AIChE J., 2001, 47: 2384
2. Chiappe, C.; Pieraccini, D. J. Phys. Org. Chem., 2005, 18: 275
3. Endres, F.; El Abedin, S. Z. Phys. Chem. Chem. Phys., 2006, 8: 2101
4. Seddon, K. R. Green Chem., 2002, 4: G25
5. Zhang, S. J.; Yao, X. Q.; Liu, X. M.; Wang, J. Q. Progress in Chemistry, 2009, 21: 2465 [张锁江,姚晓倩, 刘晓敏, 王金泉. 化学进展, 2009, 21: 2465]
6. Johnston, K. P.; Meredith, J. C.; Harrison, K. L. Fluid Phase Equilib., 1996, 116: 385
7. Padua, A. A. H.; Gomes, M. F.; Lopes, J. Acc. Chem. Res., 2007, 40: 1087
8. Shim, Y.; Jeong, D.; Manjari, S.; Choi, M. Y.; Kim, H. J. Acc. Chem. Res., 2007, 40: 1130
9. Lynden-Bell, R. M.; Del Popolo, M. G.; Youngs, T. G. A.; Kohanoff, J.; Hanke, C. G.; Harper, J. B.; Pinilla, C. C. Acc. Chem. Res., 2007, 40: 1138
10. Wang, Y.; Jiang,W.; Yan, T.; Voth, G. A. Acc. Chem. Res., 2007, 40: 1193
11. Berg, R. W. Monatshefte Fur Chemie, 2007, 138: 1045
12. Castner, E. W.; Wishart, J. F.; Shirota, H. Acc. Chem. Res., 2007, 40: 1217
13. Iwata, K.; Okajima, H.; Saha, S.; Hamaguchi, H. O. Acc. Chem. Res., 2007, 40: 1174
14. Zhai, C. P.; Liu, X. J.; Wang, J. J. Progress in Chemistry, 2009, 21: 1040 [翟翠萍,刘学军,王键吉. 化学进展, 2009, 21: 1040]
15. Bankmann, D.; Giernoth, R. Progress in Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy, 2007, 51: 63
16. Dieter, K. M.; Dymek, C. J.; Heimer, N. E.; Rovang, J. W.; Wilkes, J. S. J. Am. Chem. Soc. , 1988, 110: 2722
17. Katsyuba, S. A.; Dyson, P. J.; Vandyukova, E. E.; Chernova, A. V.; Vidis, A. Helvetica Chimica Acta, 2004, 87: 2556
18. Talaty, E. R.; Raja, S.; Storhaug, V. J.; Dolle, A.; Carper, W. R. J. Phys. Chem. B, 2004, 108: 13177
19. Heimer, N. E.; Del Sesto, R. E.; Meng, Z. Z.;Wilkes, J. S.; Carper, W. R. J. Mol. Liquids, 2006, 124: 84
20. Lassègues, J. C.; Grondin, J.; Cavagnat, D.; Johansson, P. J. Phys. Chem. A, 2009, 113: 6419
21. Wulf, A.; Fumino, K.; Ludwig, R. J. Phys. Chem. A, 2010, 114: 685
22. Lassègues, J. C.; Grondin, J.; Cavagnat, D.; Johansson, P. J. Phys. Chem. A, 2010, 114: 687
23. Cammarata, L.; Kazarian, S. G.; Salter, P. A.;Welton, T. Phys. Chem. Chem. Phys., 2001, 3: 5192
24. Danten, Y.; Cabaco, M. I.; Besnard, M. J. Phys. Chem. A, 2009, 113: 2873
25. Xu, Z.; Li, H. R.; Wang, C. M. ChemPhysChem, 2006, 7: 2460
26. Xu, Z.; Li, H. R.; Wang, C. M.; Pan, H. H.; Han, S. J. J. Chem. Phys., 2006, 124: 244502
27. Zhang, R.; Li, H. R.; Lei, Y.; Han, S. J. J. Mol. Struct., 2004, 693: 17
28. Xu, Z.; Li, H. R.; Wang, C. M.;Wu, T.; Han, S. J. Chem. Phys. Lett., 2004, 394: 405
29. Zhang, L. Q.; Wang, Y.; Xu, Z.; Li, H. R. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 5978
30. Gao, Y.; Zhang, L. Q.;Wang, Y.; Li, H. R. J. Phys. Chem. B, 2010, 114: 2828
31. Wang, N. N.; Zhang, Q. G.; Wu, F. G.; Li, Q. Z.; Yu, Z. W. J. Phys. Chem. B, 2010, 114: 8689
32. Takamuku, T.; Kyoshoin, Y.; Shimomura, T.; Kittaka, S.; Yamaguchi, T. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 10817
33. Zhang, Q. G.; Wang, N. N.; Yu, Z. W. J. Phys. Chem. B, 2010, 114: 4747
34. Kazarian, S. G.; Briscoe, B. J.; Welton, T. Chem. Commun., 2000: 2047
35. Sakellarios, N. I.; Kazarian, S. G. J. Chem. Thermodyn., 2005, 37: 621
36. Andanson, J. M.; Jutz, F.; Baiker, A. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 10249
37. Andanson, J. M.; Jutz, F.; Baiker, A. J. Phys. Chem. B, 2010, 114: 2111
38. Andanson, J. M.; Jutz, F.; Baiker, A. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 114
39. Jeon, Y.; Sung, J.; Kim, D.; Seo, C.; Cheong, H.; Ouchi, Y.; Wawa, R.; Hamaguchi, H. O. J. Phys. Chem. B, 2008, 112: 923
40. Yokozeki, A.; Kasprzak, D. J.; Shiflett, M. B. Phys. Chem. Chem. Phys., 2007, 9: 5018
41. Koddermann, T.;Wertz, C.; Heintz, A.; Ludwig, R. ChemPhysChem, 2006, 7: 1944
42. Umebayashi, Y.; Jiang, J. C.; Lin, K. H.; Shan, Y. L.; Fujii, K.; Seki, S.; Ishiguro, S. I.; Lin, S. H.; Chang, H. C. J. Chem. Phys., 2009, 131: 7
43. Chang, H. C.; Jiang, J. C.; Chang, C. Y.; Su, J. C.; Hung, C. H.; Liou, Y. C.; Lin, S. H. J. Phys. Chem. B, 2008, 112: 4351
44. Chang, H. C.; Jiang, J. C.; Tsai,W. C.; Chen, G. C.; Lin, S. H. J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 3302
45. Chang, H. C.; Jiang, J. C.; Liou, Y. C.; Hung, C. H.; Lai, T. Y.; Lin, S. H. J. Chem. Phys., 2008, 129: 044506
46. Umebayashi, Y.; Jiang, J. C.; Shan, Y. L.; Lin, K. H.; Fujii, K.; Seki, S.; Ishiguro, S. I.; Lin, S. H.; Chang, H. C. J. Chem. Phys., 2009, 130: 124503
47. Chen, H.; Zheng, O. Y.; Cooks, R. G. Angew. Chem. Int. Edit., 2006, 45: 3656
48. Neto, B. A. D.; Santos, L. S.; Nachtigall, F. M.; Eberlin, M. N.; Dupont, J. Angew. Chem. Int. Edit., 2006, 45: 7251
49. Leal, J. P.; Esperanca, J.; da Piedade, M. E. M.; Lopes, J. N. C.; Rebelo, L. P. N.; Seddon, K. R. J. Phys. Chem. A, 2007, 111: 6176
50. Akai, N.; Parazs, D.; Kawai, A.; Shibuya, K. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 4756
51. Wang, X. H; Tao, G. H.; Wu, X. M.; Kou, Y. Acta Phys. -Chim. Sin., 2005, 21: 528 [王晓化,陶国宏,吴晓牧,寇元.物理化学学报, 2005, 21: 528]
52. Koddermann, T.; Wertz, C.; Heintz, A.; Ludwig, R. Angew. Chem. Int. Edit., 2006, 45: 3697
53. Katsyuba, S. A.; Zvereva, E. E.; Vidis, A.; Dyson, P. J. J. Phys. Chem. A, 2007, 111: 352
54. Hunt, P. A. J. Phys. Chem. B, 2007, 111: 4844
55. Noda, I. J. Am. Chem. Soc., 1989, 111: 8116
56. Lopez-Pastor, M.; Ayora-Canada, M. J.; Valcarcel, M.; Lendl, B. J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 10896
57. Zhang, L. Q.; Xu, Z.; Wang, Y.; Li, H. R. J. Phys. Chem. B, 2008, 112: 6411
58. Sun, B. J.; Jin, Q.; Tan, L. S.; Wu, P. Y.; Yan, F. J. Phys. Chem. B, 2008, 112: 14251
59. Wu, B.; Zhang, Y. M.; Wang, H. P. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 12332
60. Tran, C. D.; Lacerda, S. H. D.; Oliveira, D. Appl. Spectrosc., 2003, 57: 152
61. Fumino, K.;Wulf, A.; Ludwig, R. Angew. Chem. Int. Edit., 2008, 47: 3830
62. Fumino, K.;Wulf, A.; Ludwig, R. Angew. Chem. Int. Edit., 2008, 47: 8731
63. Fumino, K.;Wulf, A.; Ludwig, R. Phys. Chem. Chem. Phys., 2009, 11: 8790
64. Fumino, K.;Wulf, A.; Ludwig, R. Angew. Chem. Int. Edit., 2009, 48: 3184
65. Fumino, K.;Wulf, A.; Verevkin, S. P.; Heintz, A.; Ludwig, R. ChemPhysChem, 2010, 11: 1623
66. Koddermann, T.; Fumino, K.; Ludwig, R.; Lopes, J. N. C.; Padua, A. A. H. ChemPhysChem, 2009, 10: 1181
67. Dominguez-Vidal, A.; Kaun, N.; Ayora-Canada, M. J.; Lendl, B. J. Phys. Chem. B, 2007, 111: 4446
68. Buffeteau, T.; Grondin, J.; Lassegues, J. C. Appl. Spectrosc., 2010, 64: 112
69. Liu, Y.; Gong, X. D.;Wang, G. X.;Wang, L. J.; Xiao, H. M. Chin. J. Chem., 2010, 28: 149
70. Kiefer, J.; Obert, K.; Bömann, A.; Seeger, T.;Wasserscheid, P.; Leipertz, A. ChemPhysChem, 2008, 9: 1317
71. Wu, Y.; Zhang, T. T.; Yu, N. Acta Phys. -Chim. Sin., 2009, 25: 1689 [吴阳,张甜甜,于宁.物理化学学报., 2009, 25: 1689]
72. Wulf, A.; Fumino, K.; Ludwig, R. Angew. Chem. Int. Edit., 2010, 49: 449
73. Umebayashi, Y.; Mitsugi, T.; Fujii, K.; Seki, S.; Chiba, K.; Yamamoto, H.; Lopes, J. N. C.; Padua, A. A. H.; Takeuchi, M.; Kanzaki, R.; Ishiguro, S. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 4338
74. Katayanagi, H.; Hayashi, S.; Hamaguchi, H. O.; Nishikawa, K. Chem. Phys. Lett., 2004, 392: 460
75. Holomb, R.; Martinelli, A.; Albinsson, I.; Lassegues, J. C.; Johansson, P.; Jacobsson, P. J. Raman Spectrosc., 2008, 39: 793
76. Berg, R. W.; Deetlefs, M.; Seddon, K. R.; Shim, I.; Thompson, J. M. J. Phys. Chem. B, 2005, 109: 19018
77. Fujii, K.; Fujimori, T.; Takamuku, T.; Kanzaki, R.; Umebayashi, Y.; Ishiguro, S. I. J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 8179
78. Jeon, Y.; Sung, J.; Seo, C.; Lim, H.; Cheong, H.; Kang, M.; Moon, B.; Ouchi, Y.; Kim, D. J. Phys. Chem. B, 2008, 112: 4735
79. Berg, R. W.; Riisager, A.; Van Buu, O. N.; Fehrmann, R.; Harris, P.; Tomaszowska, A. A.; Seddon, K. R. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 8878
80. Herstedt, M.; Smirnov, M.; Johansson, P.; Chami, M.; Grondin, J.; Servant, L.; Lassegues, J. C. J. Raman Spectrosc., 2005, 36: 762
81. Umebayashi, Y.; Fujimori, T.; Sukizaki, T.; Asada, M.; Fujii, K.; Kanzaki, R.; Ishiguro, S. J. Phys. Chem. A, 2005, 109: 8976
82. Saha, S.; Hamaguchi, H. O. J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 2777
83. Berg, R. W.; Riisager, A.; Fehrmann, R. J. Phys. Chem. A, 2008, 112: 8585
84. Fazio, B.; Triolo, A.; Di Marco, G. J. Raman Spectrosc., 2008, 39: 233
85. (a) Kimura, Y.; Fukuda, M.; Fujisawa, T.; Terazima, M. Chem. Lett., 2005, 34: 338 (b) Fujisawa, T.; Fukuda, M.; Terazima, M.; Kimura, Y. J. Phys. Chem. A, 2006, 110: 6164
86. Iwata, K.; Yoshida, K.; Takada, Y.; Hamaguchi, H. Chem. Lett., 2007, 36: 504
87. Schafer, T.; Di Paolo, R. E.; Franco, R.; Crespo, J. G. Chem. Commun., 2005: 2594
88. Sitze, M. S.; Schreiter, E. R.; Patterson, E. V.; Freeman, R. G. Inorg. Chem., 2001, 40: 2298
89. Alves, M. B.; Santos, V. O.; Soares, V. C. D.; Suarez, P. A. Z.; Rubim, J. C. J. Raman Spectrosc., 2008, 39: 1388
90. Hardwick, L. J.; Holzapfel, M.; Wokaun, A.; Novak, P. J. Raman Spectrosc., 2007, 38 :110
91. Castriota, M.; Caruso, T.; Agostino, R. G.; Cazzanelli, E.; Henderson, W. A.; Passerini, S. J. Phys. Chem. A, 2005, 109: 92
92. Umebayashi, Y.; Mitsugi, T.; Fukuda, S.; Fujimori, T.; Fujii, K.; Kanzaki, R.; Takeuchi, M.; Ishiguro, S. I. J. Phys. Chem. B, 2007, 111: 13028
93. Monteiro, M. J.; Bazito, F. F. C.; Siqueira, L. J. A.; Ribeiro, M. C. C.; Torresi, R. M. J. Phys. Chem. B, 2008, 112: 2102
94. Johansson, P.; Beranger, S.; Armand, M.; Nilsson, H.; Jacobsson, P. Solid State Ionics, 2003, 156: 129
95. Scheers, J.; Johansson, P.; Jacobsson, P. J. Electrochem. Soc., 2008, 155: A628
96. Gao, Y. N.; Li, N.; Li, X.W.; Zhang, S. H.; Zheng, L. Q.; Bai, X. T.; Yu, L. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 123
97. Gordon, P. G.; Brouwer, D. H.; Ripmeester, J. A. ChemPhysChem, 2010, 11: 260
98. Lei, S.; Zhang, J.; Huang, J. B. Acta Phys. -Chim. Sin., 2007, 23: 1657 [雷声, 张晶,黄建滨.物理化学学报, 2007, 23: 1657]
99. Lungwitz, R.; Spange, S. New J. Chem., 2008, 32: 392
100. Schroder, U.; Wadhawan, J. D.; Compton, R. G.; Marken, F.; Suarez, P. A. Z.; Consorti, C. S.; de Souza, R. F.; Dupont, J. New J. Chem., 2000, 24: 1009
101. Strehmel, V.; Laschewsky, A.; Stoesser, R.; Zehl, A.; Herrmann, W. J. Phys. Org. Chem., 2006, 19: 318
102. Tao, G. H.; Zou, M.; Wang, X. H.; Chen, Z. Y.; Evans, D. G.; Kou, Y. Aust. J. Chem., 2005, 58: 327
103. Wang, X. L.; Wan, H.; Guan, G. F. Acta Phys. -Chim. Sin., 2008, 24: 2077 [王小露,万辉, 管国锋.物理化学学报, 2008, 24: 2077]
104. Wu, B.; Liu, Y.; Zhang, Y. M.; Wang, H. P. Chem. Eur. J., 2009, 15: 6889
105. Wu, Q.; Han, M. H.; Xin, H. L.; Dong, B. Q.; Jin, Y. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2008, 28: 282
106. Zou, Y.; Xu, H. J.; Wu, G. Z.; Jiang, Z.; Chen, S. M.; Huang, Y. Y.; Huang,W.; Wei, X. J. J. Phys. Chem. B, 2009, 113: 2066
107. Wang, Y.; Li, H. R.; Han, S. J. J. Chem. Phys., 2005, 123: 174501
108. Wang, Y.; Li, H. R.; Han, S. J. J. Phys. Chem. B, 2006, 110: 24646
109. Wang, Y.;Wang, C. M.; Zhang, L. Q.; Li, H. R. Phys. Chem. Chem. Phys., 2008, 10: 5976
110. Nanbu, N.; Sasaki, Y.; Kitamura, F. Electrochem. Commun., 2003, 5: 383

[1]	张城城, 吴之怡, 沈家辉, 何乐, 孙威. 硅纳米结构阵列：光热CO₂催化的新兴平台[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2304004 - .
[2]	冀连连, 王现鹏, 张莹莹, 申学礼, 薛娣, 王璐, 王滋, 王文冲, 黄丽珍, 迟力峰. 有机-有机界面效应的原位及非原位研究[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2304002 - .
[3]	Faizan Muhammad, 赵国琪, 张天旭, 王啸宇, 贺欣, 张立军. 空位有序双钙钛矿A₂BX₆的弹性和热电性质的第一性原理研究[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303004 - .
[4]	段欣漩, Sendeku Marshet Getaye, 张道明, 周道金, 徐立军, 高学庆, 陈爱兵, 邝允, 孙晓明. 钨掺杂镍铁水滑石高效电催化析氧反应[J]. 物理化学学报, 2024, 40(1): 2303055 - .
[5]	罗耀武, 王定胜. 单原子催化剂电子结构调控实现高效多相催化[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212020 -0 .
[6]	高凤雨, 刘恒恒, 姚小龙, Sani Zaharaddeen, 唐晓龙, 罗宁, 易红宏, 赵顺征, 于庆君, 周远松. 球形表面富锰Mn_xCo_3−xO_4−ƞ尖晶石型催化剂选择性催化还原NO_x研究[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212003 -0 .
[7]	王宁, 李一, 崔乾, 孙晓玥, 胡悦, 罗运军, 杜然. 金属气凝胶：可控制备与应用展望[J]. 物理化学学报, 2023, 39(9): 2212014 -0 .
[8]	陈帅, 余创, 罗启悦, 魏超超, 李莉萍, 李广社, 程时杰, 谢佳. 卤化物固态电解质研究进展[J]. 物理化学学报, 2023, 39(8): 2210032 -0 .
[9]	梁秋菊, 常银霞, 梁朝伟, 祝浩雷, 郭子宾, 刘剑刚. 结晶动力学策略在非富勒烯体系太阳能电池形貌调控领域的应用[J]. 物理化学学报, 2023, 39(7): 2212006 -0 .
[10]	周文杰, 景启航, 李家馨, 陈颖芝, 郝国栋, 王鲁宁. 有机光催化剂用于太阳能水分解：分子水平和聚集体水平改性[J]. 物理化学学报, 2023, 39(5): 2211010 -0 .
[11]	唐甜蜜, 王振旅, 管景奇. 调控单位点M-N-C电催化剂的电子结构提升二氧化碳还原性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(4): 2208033 -0 .
[12]	张婧雯, 马华隆, 马军, 胡梅雪, 李启浩, 陈胜, 宁添姝, 葛创新, 刘晰, 肖丽, 庄林, 张熠霄, 陈立桅. 碱性聚合物电解质膜的表面锥形阵列结构提升燃料电池性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2111037 -0 .
[13]	齐亚娥, 夏永姚. 电解液调控策略提升水系锌离子电池正极材料电化学性能[J]. 物理化学学报, 2023, 39(2): 2205045 -0 .
[14]	王正慜, 洪庆玲, 王晓慧, 黄昊, 陈煜, 李淑妮. 氮掺杂石墨烯气凝胶锚定RuP纳米粒子用于水合肼氧化辅助产氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2303028 - .
[15]	郑书逸, 吴佳, 王可, 胡梦晨, 文欢, 尹诗斌. 钴掺杂电子调控Ni-Mo-O多孔纳米棒选择性氧化5-羟甲基糠醛耦合制氢[J]. 物理化学学报, 2023, 39(12): 2301032 - .