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共熔物:合成、性质和应用

两种物质混合后熔点(凝固点)降低的现象叫做共熔。在过去的几十年中,科学家们已经发现并研究了许多种共熔体系,包括共熔金属、共熔盐、低共熔溶剂等。一方面,它们都是共熔物,形成共熔原理相同;另一方面,它们的组成完全不同,分别代表金属、无机盐和有机物质。这些共熔物所涉及的应用各不相同,但又有所重叠,极大地推动了化学、材料、工程和能源等跨领域研究的发展。近日,北京林业大学薛智敏点击查看介绍)和中国人民大学牟天成点击查看介绍)等研究者在Chemical Society Reviews 杂志上发表了题为“Eutectics: formation, properties, and applications”的文章。该工作系首次总结与比较三种以上共熔物的综述,并在此基础上对共熔物未来的发展做出了展望。


此综述主要分为三个部分。作者从共熔物的形成入手,介绍了导致熔点降低的原理(熵效应、化学势、相互作用、振动扩散机理和气-液-固-固四相机理)。其中,使用熵效应的解释易于理解,但过于理想化。基于化学势的解释引入了非理想成分,弥补了前者的不足,而非理想成分来源于组分间的相互作用。振动扩散机理是作者从纯净晶体的熔化过程推演得到的全新解释,即一定温度下,粒子振动足以挣脱晶格能的束缚导致了液体粒子的产生。气-液-固-固四相机理说明,共熔过程不能忽视气相的影响。


在下一部分中,作者总结了共熔金属、共熔盐和低共熔溶剂的性质和应用。共熔金属由于其良好的导电性和导热性,在材料制备和可穿戴器件等领域取得了令人瞩目的进展;共熔盐具有很高的相变潜热,在储能方面很有价值;低共熔溶剂绿色环保且可设计性强,在提取、分离以及材料制备领域有巨大潜力。值得一提的是,共熔物的应用并不局限于此。特别是低共熔溶剂作为一类新兴体系,其应用不如前两者成熟,这恰恰也促进了科研工作者们对它们应用的探索。


最后,作者列举了几种新兴的共熔物,并预测了共熔胶未来的兴起。它们是基于共熔概念的高分子聚集体,具有优良的力学、光学和电学性能。多样的性能以及优异的热、化学稳定性暗示着它们在某些方面的应用胜过水凝胶。在展望部分中,作者提出在化学与化工领域,机器学习现阶段依赖于实验室和工业界的信息输入。将来,基于算法的研究可以指导、设计共熔体系,以用于实验室研究和工业化生产。

图1. 接触扩散和非接触扩散形成共熔物的原理。


图2. 共熔镓-铟-锡合金在可穿戴设备和柔性电子器件的应用。


图3. 基于共熔金属制备金属纳米线和单、多层二维金属氧化物的方法。


图4. 三种基于共熔金属的机器人,它们分别代表了电、磁和光驱动。


图5. 熔盐储能示意图。利用反光镜将太阳能集中,产生的热量可熔化共熔盐,通过热交换蒸汽发电机产生电能。


图6. 两个基于熔盐的化学反应(A,甲烷热解制氢;B,氮气转氨)。其中,后者避免了通常水体系下的产氢副反应,为高效率氮气还原提供了新思路。


图7. 离子液体和低共熔溶剂的异同。


图8. 基于二氧化碳(A-C)和温度(D和E)响应的“智能”低共熔溶剂。通过设计低共熔溶剂体系,调控物质在其中的溶解度,可实现反应产物的自分离。


图9. 几种基于共熔概念的聚合物,它们具有良好的力学、光学和电学性能。


图10. 机器学习在共熔发展中的作用。双箭头代表产业界和学术界之间存在成熟的互动。实线箭头代表机器学习需要来自实际应用和科学实验的数据,而虚线箭头代表来自机器学习的反馈。


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Eutectics: formation, properties, and applications

Dongkun Yu, Zhimin Xue and Tiancheng Mu

Chem. Soc. Rev., 2021, DOI: 10.1039/D1CS00404B


薛智敏副教授简介

北京林业大学副教授,主要从事绿色化学、林产化工、催化等与能源和环境相关领域的研究工作。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金、国家林业和草原局林草科技创新青年拔尖人才等项目。在Chem. Soc. Rev., Angew. Chem. Int. Ed., Green Chem., ACS Sustainable Chem. Eng.等国际主流期刊发表SCI论文70余篇。获授权专利1项,参与编写中文专著1部,英文专著2部。


https://www.x-mol.com/university/faculty/77111 


牟天成教授简介

中国人民大学教授,致力于将绿色化学和可持续发展的理念应用于能源、环境、催化和先进材料等领域。在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., Green Chem., Sci. China Chem.等期刊发表SCI论文170余篇。获授权专利11项,参与编写专著5部。获中国分析测试协会科学技术奖一等奖,梁希林业科学技术奖二等奖等奖励。担任RSC Advances副主编,《过程工程学报》、《化学教育》等期刊编委,中国化学会绿色化学专业委员会委员等。


https://www.x-mol.com/university/faculty/14881 


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