liquids

离子液体作为软光学功能材料的研究进展

何国田;谷明信;林远长;徐泽宇;何骥鸣;孟祥丹;李先忠;朱晓强;吴姣娇

【摘要】Duetoionicliquidsspecialfeatures,zerosteampressure,low

meltingpoint,thermalstability,andmanyothers,itcan,asapotential

efficiency,greenopticalmaterialsormedium,drawmoreandmore

attentionofthecountries'paper,itintroducestheionic

liquid,asinrecentyearsshowmaterials,opti-caltransmissionoptical

materials,opticalenergystoragematerial,photoelectricmaterial,solar

batterymateri-als,andotheraspectsoftherearchprogressinarelatively

comprehensivepaper,analyzesanddiscusstheapplicationofionic

liquid,asopticalmaterialsoftheproblemxistinginthefield,putsforward

theionicliq-uidsinopticalofrearchinthefieldofthinkingandpredicts

theirfutureprospect.%离子液体由于具有蒸气压低、液程宽、热稳定性和化学

稳定性好、透光率和导电率高等诸多特性，作为一种潜在的、绿色的软光学功能材

料和介质，逐渐引起了科学家们的关注。综述了离子液体作为光学显示材料、光学

传输材料、光学储能材料、光电材料、太阳能电池材料等方面应用的研究进展，分

析和探讨了离子液体在光学领域应用存在的问题，并展望了其应用研究前景。

【期刊名称】《功能材料》

【年(卷),期】2014(000)012

【总页数】6页(P12027-12032)

【关键词】离子液体;软光学材料;功能材料;有机光致变色;变焦液体透镜

【作者】何国田;谷明信;林远长;徐泽宇;何骥鸣;孟祥丹;李先忠;朱晓强;吴姣娇

【作者单位】重庆文理学院机电工程学院，重庆402160;中国科学院重庆绿色智

能技术研究院，重庆401122;重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆401331;

重庆文理学院机电工程学院，重庆402160;中国科学院重庆绿色智能技术研究院，

重庆401122;重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆401331;中国科学院重庆

绿色智能技术研究院，重庆401122;中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆

401122;中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆401122;重庆师范大学物理

与电子工程学院，重庆401331;中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆

401122;重庆师范大学物理与电子工程学院，重庆401331;中国科学院重庆绿色

智能技术研究院，重庆401122;中国科学院重庆绿色智能技术研究院，重庆

401122

【正文语种】中文

【中图分类】TM911;TN29;O646.1

1引言

室温离子液体［1］（Roomtemperatureionicliquids，RTILs）是一种在室温

附近呈液态、完全由阴阳离子组成的有机盐，以下简称离子液体（ILs）。离子液

体具有蒸气压低、液程宽、稳定性高、透光性和导电性好等特性［2－3］，特别

是离子液体的可设计性［4］，即通过调整阴、阳离子组合或改变官能团和链长，

可以获得大量特定需求的功能化离子液体［5］。作为一种新型、绿色有机软功能

材料，离子液体与其它固体或液体功能材料相比所表现出来的独特理化性质和特定

功能，已经引起越来越多的科研人员的注意，受到了工业界和学术界的高度重视。

离子液体的研究属于多学科交叉的前沿领域，然而国内外大部分研究和应用多集中

在化学领域，随着研究的深入，离子液体的研究已经从化学化工领域发展到光电功

能材料领域。本文对离子液体作为软光学功能材料在不同领域，如光学显示材料、

光学传输材料、光学储能材料、光电和电光材料、太阳能电池材料等方面的研究进

展做了较为全面的阐述，分析和探讨了离子液体作为光学材料应用领域存在的问题，

提出了离子液体在光学领域的研究思路并展望了其应用前景。

2离子液体作为软光学功能材料的应用

目前，离子液体作为新颖的“软”功能材料，如储能材料、敏感材料、摩擦与润滑

材料、电学材料、光学材料等，其结构和物理化学性质的研究已有部分工作，但多

是热力学、动力学、电学、电化学等方面的工作。例如，LichaoGao［6］、

StefanoMillefiorini［7］将离子液体作为电润湿材料，取得了很好的成果；Ding

Ling等［8］将离子液体作为新型润滑材料的研究进展做了综述；Philippe

Dubois［9］利用离子液体微滴，制作了合成微量功能材料成分的微反应器。作为

一种新型功能材料，在电子信息领域的应用［10］，使得离子液体的光致变色、

荧光［11］等特性的研究成为目前研究的焦点。能源问题方面，离子液体被用作

太阳能电池［12－14］和超级电容器［15－17］的关键材料，分别在研究提高太

阳能电池的光电转化效率和增大超级电容器电容量等方面取得了一定进展。离子液

体光学性质的研究多为利用谱学手段间接研究离子液体的结构和微观性质，而从基

本的实验光学研究离子液体在外场下的离子液体宏观行为的工作相对较少。何国田

课题组等［18］对系列离子液体的折射率与微观阴阳离子大小的关系进行了研究。

离子液体作为软光学功能材料的应用研究，例如，MaggelDeetlefs等［19］利

用离子液体作为光学浸没液来检查宝石和矿物中的内含物，这些内含物为矿物学家

们研究宝石和矿物生长的理化环境提供了重要线索；将离子液体应用于空间光学领

域，引起了自然杂志的关注［20－21］；利用离子液体良好的导电和传光性能制

作液芯光纤［22］。

图1给出了离子液体作为软光学功能材料的应用领域简图。从20世纪80年代，

研究机构由英国和法国扩展到德国、美国、日本和中国等。而国内的许多研究机构，

如华东师范大学、浙江大学、北京大学、中国科学院化学研究所、兰州化学物理研

究所、过程工程研究所等科研院校，也已开展了离子液体的研究，但是从产业应用

来讲，这些研究工作尚处于初级阶段。近年来，关于离子液体的研究迅速扩展到化

学分析、清洁能源、生命科学以及功能材料等领域，成为自然科学和工程技术研究

的热点之一。

图1离子液体作为光学功能材料应用领域简图Fig1Diagramofionicliquids

applicationsasopticalmaterials

2.1离子液体作为光学显示材料

由于离子液体具有零蒸汽压、低挥发性、溶解能力强、粘度适合、透光性好、可设

计性等特点，使得离子液体形成特殊的官能团、特殊荧光性等特性。Chen等［23］

设计并合成了一类新型的基于无h支链阳离子中心的喹啉鎓离子液体（见图2）。

图2喹啉鎓离子液体的合成Fig2Synthesisofquinoliziniumionicliquids

（salts）

不同于传统的离子液体，这类离子液体具有特殊的热分解行为，能稳定某些强亲核

性的阴离子。这类化合物还具有特殊的荧光行为（见图3），如在乙醇溶液中，能

发出极强的荧光λem≈334nm（紫外区），其量子产量高达99%；而在熔融态时

可发出强的蓝绿色荧光λem≈465nm（可见区）。

Deng等［24－27］课题组将4－（n－溴代烷氧基）偶氮苯与烷基咪唑避光反应

得到咪唑类溴盐离子液体，再与含目标阴离子的无机或有机盐反应，得到含光响应

的偶氮苯基团的目标离子液体。在溶液和纯液态情况下，该离子液体均可保持良好

的光致变色（异构）性能，在紫外光和可见光的交替作用下能实现离子液体物理化

学性质的调变，如紫外－可见吸收光谱、荧光发射光谱和电导率的可逆变化。

图3喹啉鎓离子液体的荧光行为Fig3Fluorescenebehaviorofquinolizinium

ionicliquids

该课题组［28－30］还开展了功能化离子液体的制备方法研究，成功制备出含偶

氮苯基团的光响应离子液体（见图4），并获得国家发明专利。该系列离子液体作

为一种特殊的光致变色（异构）导电材料（见图5），可以用作信息存储材料、光

开关、光学器件材料和光敏感材料等。将光致变色基团与离子液体结合，得到了兼

具离子液体和光致变色官能团双重性质的光响应离子液体，拓宽了离子液体的应用

范围。

图4光响应离子液体结构通式Fig4Structureoflightresponionicliquids

离子液体发光功能材料是将离子液体的不挥发、极性好等优点与稀土发光结合起来

的新型液体发光材料，在可见光和近红外光波段基本无吸收。一类是以咪唑类离子

液体与稀土有机配合物形成的发光材料，如含有β－二酮配体的稀土发光配合物；

另一类是溶解有稀土盐类或稀土氧化物的离子液体，如文献报道咪唑类苯甲酸盐离

子液体［C4MIM］［BA］。

图5离子液体的光致变色（异构）反应原理Fig5Reactionprincipleofionic

liquidsphotochromic

2.2离子液体作为光学传输材料

离子液体具有良好的透光和导电的特性，使得离子液体可能成为一类新型的软光学

功能材料。不同离子液体折射率不同，小的在1.4左右，大的能达1.6左右，且其

大小与温度有关，温度越高，折射率越低。同时，离子液体是液态的，具有很好的

透光性能，不仅在可见光波段有良好的导光性能，而且对一般溶液由于水的存在而

传输性能很差的光通信波段，同样具有很好的传输性能，结合离子液体折射率高和

传光性能好的特点，可以利用其制作液芯光纤。

Yang等［31］将离子液体作为传输媒介制成液芯光纤（见图6），对其数值孔径、

传输媒介的衰减、阻抗与温度的关系、光电信号的独立传输等方面进行了测试，使

离子液体成为光通信领域值得研究的新型传输媒介。Wilkers等［32］合成了一系

列含硫阴离子的离子液体，这些离子液体显示出很强的三阶非线性光学行为，在非

线性光学材料及全光器件方面有潜在的用途。离子液体独特的离子氛围使得其作为

有机二阶非线性光材料。有机离子比普通不带电的分子的二阶非线性系数要好，两

性离子比有机离子的二阶非线性系数要好，强的推拉电子基结构对二阶非线性的影

响巨大。Seddon等［33］利用过渡金属电子密集特性，将适当的阳离子和富电

子的SnBr2－6阴离子结合，构成一类具有高折光率的液体，用于一些特定矿物的

组成鉴定。

图6离子液体作为传输介质结构示意图Fig6Schematicofthetransmission

medium

通过研究电磁场在光频段的基本理论和技术应用，研究光波在软物质离子液体中的

传播特性与规律，涉及离子液体在光电子学、光通信、光信息处理领域中的应用，

如可见光通信、光学标签、微流控光学器件等。

胡晓东等［34］利用电润湿原理设计并实现了基于离子液体的变焦液体透镜（见

图7）。该透镜的聚焦电压与所使用的离子液体折光率直接相关，折光率越高，达

到相同焦距所需的电压也越大。在相同情况下，与传统的盐水溶液变焦透镜相比，

离子液体变焦透镜实现聚焦所需的电压更低。离子液体变焦透镜可以适应外界温度

的剧烈变化，在高温条件下（大于80℃）仍可正常运转，且其性能甚至更优。该

透镜的变焦范围可从5cm至无穷远，而其能耗只有毫瓦量级。离子液体在红外区

透光性良好，使得离子液体变焦透镜在红外成像上有广阔的应用前景。

图7离子液体变焦透镜变焦示意图Fig7Zoomschemesofelectrowetting－

badvariablefocusliquidlens

兰州大学张晓萍［35］课题组基于离子液体的良好导电性和传光性，以离子液体

作为传输材料，研究了离子液体的电光调制（见图8），即通过控制调制电压，可

以控制通过离子液体的光功率输出。结果发现，离子液体在交流电调制作用下，光

功率输出振荡幅度随电压的增大、频率的降低而增大，而光功率输出振荡频率与调

制信号频率基本一致。离子液体在直流电调制作用下，光功率输出大小与调制电压

的大小和极性有关。离子液体交流调制特性受离子液体种类、离子液体的纯度、环

境温度、调制器件的物理尺寸等因素的影响。另一方面，电压作用下离子液体的性

质可能发生变化，如离子液体的结构、颜色等。

图8离子液体电光调制装置示意图Fig8Ionicliquidlectro－opticmodulator

2.3离子液体作为光信息储存材料

离子液体的光致变色性质可以用于光信息储存。光致变色原理是指当有紫外线照射

时，光致变色材料瞬间从透明变为深蓝色，而没有紫外线时，材料的颜色又能恢复

为透明。这是紫外线的光子使得分子键断裂，并且这种变化是可逆的。研究发现，

一些离子液体和光致变色基团结合［24－27，36－37］，也可以作为光致变色的

导电材料进行光信息储存。pour［38］以离子液体为介质合成了光敏性

的芳香聚酰胺。

2.4离子液体作为光电子材料

离子液体的特殊结构和多样性使得其在光电材料中的应用成为可能。离子液体

［BMIM］PF6具有不可忽略的光学吸收［39－40］，离子液体［BMIM］PF6

的吸收峰的位置会随激发波长的变化而变化，即产生边缘红移效应。离子液体中物

质的荧光光谱、荧光强度以及量子产率，离子液体作为介质用于荧光分析。离子液

体［BMIM］PF6对荧光物质具有增敏作用，荧光物质的类型及其浓度对离子液体

的增敏作用有影响。氨基酸手性离子液体［41］的光学纯度较高，有较好的旋光

性。

Armand等［42］总结了离子液体作为光电子器件材料的研究工作，含卤化锗和

硅的超纯离子液体可以为制备光致发光材料锗化硅提供理想电沉积环境。

er等［43］使用［BMIM］PF6作为溶剂，研究了采用硝基甲烷荧光淬

灭法分析交替的PAHs的方法。研究结果表明，离子液体可能应用于环境污染物

的光学传感器（或电极）分析。n等［44］基于溴麝香草酚蓝／四辛基溴

化铵（BTB－／TOA＋）离子对在离子液体中的分光光度信号的改变，首次将离子

液体作为光学CO2传感器的基质，并设计了新型的光学CO2传感器。聚苯胺纳

米管是导电性式的，因此它在有机光电池和发光二级管方面具有潜在的应用价值。

微流控光学是光电子的一个重要分支，离子液体作为驱动液体，从而配置光学系统。

iorini等［45］研究了咪唑类和吡咯类离子液体在微流控光学领域中的应

用。研究了离子液体电磁驱动在光开关、光学变焦透镜、可调光纤中的应用。

2.5离子液体作为光学材料在太阳能电池领域的应用

对于离子液体的导电性和电化学性能的研究，使得离子液体在染料敏化纳米薄膜太

阳电池（dye－nsitizedsolarcell，DSSC）中的应用具有极其重要的实际应用

价值，可以用室温离子液体制备电化学电池和太阳能电池板。太阳能的收集和存储

一直是能源工业中难以解决的问题。高温熔盐曾经作为一种特殊条件下的储能介质，

但是由于其熔点太高，很难普遍应用。离子液体兼有低熔点、高热容量、较好的热

稳定性和较高的密度等特点，使其成为一种良好的能量存储和传输的介质。研究表

明，［OMIM］PF6的存储密度为378MJ／m3，而其液态范围为－75～416℃，

比现今普遍使用的储热油的存储密度（59MJ／m3）高6.4倍。燃料电池在100～

200℃下工作时，需要使用快质子传导复合膜，若用吸水性质子传导膜如Nafion

膜，因水的挥发而导致电导下降。而用Nafion膜吸收无挥发性的离子液体，在完

全无水的条件下，得到高的高温质子导电性，在180℃电导率达到0.1S／cm。

潘旭等［46］对染料敏化纳米薄膜太阳电池中离子液体基电解质的研究进展进行

了综述。详细论述了多种离子液体基电解质系统对染料敏化纳米薄膜太阳电池性能

的影响，并比较了这些系统的优缺点。根据胶凝剂的不同分别论述了离子液体基电

解质的固化及其对电池性能的影响。评述了离子液体基电解质在大面积电池中的应

用，并对离子液体基电解质未来发展方向进行了展望。Stathatos［47］研究了离

子液体用于染料敏化太阳能电池的电解质，而Grzel［48］发展了氧化硅纳米粒子

固化离子液体构成准固态的电解质，并提高了染料敏化的太阳能电池的光电转化效

率。由于电解质的固化，避免了像传统液态电解质的渗漏问题，也可方便地加工成

不同的几何形状，这些创新研究的发表，引发了人们对离子液体在燃料和太阳能电

池领域应用的极大关注。

3结语

离子液体作为一类新型的绿色软介质和光学功能材料，具有独特的物理化学性质，

正在越来越多地引起人们的关注，作为软光学功能材料的应用前景可能包括：

（1）开发新型的离子液体显示材料、电致发光离子液体材料、高分子液晶显示的

离子液体材料等，开发出具有高的电致发光效率、低驱动电压，具有不同发光波长

和长寿命的发光器件。

（2）开发具有较高光学透过性、光学均匀、且高折射率、低光损耗的、用于通讯

传输的离子液体介质，解决光纤中的散射和色散损耗，提高传输效率和传输容量。

（3）开发存储密度高的功能化离子液体材料，解决目前光学材料中的电荷密度不

够大、限制存储容量的问题。

为开发出理想的软光学功能材料可从以下方面着手：（1）加大新颖功能化离子液

体的合成和特性表征。如手性离子液体及拥有特定光学性质离子液体的设计与合成；

（2）建立离子液体在各种外场和不同分子环境下宏观性能和功能的相互作用规律

及调控模型；（3）加强离子液体与多学科多领域的结合，如光学、流体力学、微

流控技术、微电子学等交叉领域，进行综合创新。

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