离子液体基高能燃料 航空航天脱碳新路径

全球气候变化背景下，交通运输低碳转型已成核心任务。轻型交通工具已逐步实现清洁化，但航空、远洋航运、火箭推进等高能耗领域难以电气化，长期依赖石油基燃料，年碳排放近 20 亿吨，占全球总量 4%-5% 且持续攀升，亟需开发高能量密度的可持续替代燃料。

传统多环丙基高能燃料凭借环丙烷键角张力具备优异储能能力，已在火箭推进中得到验证，但存在合成路径复杂、依赖石油原料、热氧化稳定性差等问题，难以规模化应用。离子液体具备低蒸气压、高闪点、热稳定性优异、物性可调等特性，类脂型离子液体还能改善低温使用性能，为新型燃料开发提供了新思路。

美国三所高校联合团队以可再生生物基脂肪酸酯为原料，采用铜催化叠氮 - 炔环加成点击化学，精准合成了含不同碳链长度与环丙基数量的多环丙基化类脂离子液体（PCP-ILs）。经核磁共振波谱、高分辨质谱验证，产物无残留烯烃基团，实现了完全环丙基化的高效合成。

热物性测试显示，环丙基结构可显著降低离子液体熔点：未环丙基化对照物熔点为 49.2℃，单环丙基化产物降至 - 56.5℃，多环丙基化产物在 - 90℃范围内无明显一级相变，仅表现出玻璃化转变行为。同时，该系列离子液体热分解起始温度均在 308.1℃-337.3℃之间，远高于中性前体，具备优异的高温稳定性。X 射线晶体学分析证实，环丙基通过扭曲分子构象、破坏有序堆积，从微观层面解释了其降凝机制。

密度泛函理论计算表明，随环丙基数量增加，化合物质量燃烧焓从 21.9 kJ/g 提升至 22.8 kJ/g，体积能量密度约 30 MJ/L，与传统航空燃料相当。环丙基主要通过释放环张力提升能量密度，不影响离子间稳定结合。

综上，多环丙基化类脂离子液体兼具原料可再生、低凝点、高热稳定性与高能量密度等优势，是航空、航天等难脱碳领域的优质高能燃料候选物。该研究同时建立了环丙基修饰调控离子液体燃料性能的分子设计原则，为高端低碳燃料开发提供了全新技术路线。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acssuschemeng.5c13132

原文作者：

Christopher M. Butch, Richard A. O'Brien, Raychell A. Jerdo, James H. Davis, Jr. , Matthias Zeller, Brooks D. Rabideau, Patrick C. Hillesheim, and Arsalan Mirjafari

DOI: 10.1021/acssuschemeng.5c13132