导读:传统有机溶剂高毒、高挥发、难降解，离子液体合成成本高昂，绿色化工亟需新一代环保溶剂。低共熔溶剂（DES）凭借原料易得、制备简单、可生物降解、性能可调等核心优势，近 20 年从小众课题成长为全球科研热点。本文依托 CAS 全球海量文献专利数据库，系统拆解低共熔溶剂的分类、主流体系、全赛道应用、行业发展痛点与未来产业化路径
分子结构概念图
一、什么是低共熔溶剂？
低共熔溶剂（DES）是一类环境友好型新型溶剂，由铵盐等易获取、可生物降解原料复配而成，仅需低温加热、简单搅拌即可制备，无需复杂提纯工序。
- 1、多元应用场景：生物医药、天然活性物质提取、电池电解液、环境修复、金属绿色涂层等领域均具备不可替代价值；
- 2、五大分类体系：共分为 Ⅰ-Ⅴ 五类，其中 Ⅲ 型因制备简便、成本低廉、生物相容性好，是目前研究最充分的品类；
- 3、主流基础原料：氯化胆碱是当前构建低共熔溶剂体系最核心的氢键受体。
低共熔溶剂核心原理
低共熔溶剂于 21 世纪初完成理论定义，由氢键供体（HBD）与氢键受体（HBA）按特定摩尔比例混合形成共熔混合物，混合物熔点远低于任意单一原料。
组分间强氢键作用会彻底破坏纯物质晶体结构，常温下即可保持液态；仅需简单加热搅拌就能完成制备，省去干燥、多级纯化等繁琐步骤。
对比传统溶剂 & 离子液体，DES 绿色优势拉满
- 1、原料可持续：多采用生物基、大宗廉价原料，可完全生物降解；离子液体需多步合成、高价特种盐；传统有机溶剂多为石油基、高毒难降解；
- 2、安全属性强：蒸气压极低，不易燃、无有害挥发排放；
- 3、性能高度可调：极性、黏度、酸度、溶解能力可自由定制，适配生物体系的天然低共熔溶剂（NADES）更是制药、食品领域专属利器；
- 4、溶解范围极广：可溶解无机盐、金属氧化物、高分子、生物大分子，实现传统溶剂难以完成的反应与分离工艺。
二、为什么低共熔溶剂成为全球科研风口？
本次研究依托 CAS 全球人工整理科学文献库，通过 CAS 专利检索工具分析超 2 万篇相关期刊论文与专利，得出行业发展关键趋势：
- 1、研究热度爆发式增长：低共熔溶剂领域从冷门细分方向，快速升级为化学、材料、能源领域主流研究赛道；
- 2、产学研转化失衡：期刊论文数量庞大，但专利布局占比极低，行业仍以基础研究为主，工业化落地存在明显壁垒；
- 3、性能优于离子液体：同为低挥发性可调溶剂，但 DES 仅部分离子化，氢键主导分子相互作用；制备简单、成本仅为离子液体零头；
- 4、循环经济价值突出：适配纳米材料、MOF/COF 多孔材料、催化剂合成；可从电子废弃物、生物质中回收有价金属，实现资源循环；宽电化学窗口、高离子电导率适配储能器件。
三、低共熔溶剂五大完整分类体系
依据氢键供体、受体组分类型，行业通用 Abbott 分类标准，共 5 大类：
Ⅰ 型：季铵卤盐 + 无水金属氯化物
以氯化胆碱 + 氯化锌 / 氯化锡为代表，金属盐作为路易斯酸，通过卤阴离子相互作用大幅降低熔点。
Ⅱ 型：季铵卤盐 + 水合金属盐
金属离子结合配位水分子，强化氢键与离子作用，进一步降低熔点、提升离子电导率。
Ⅲ 型（研究最多）：季铵盐（HBA）+ 分子型氢键供体
氢键供体常见尿素、甘油、乙二醇、有机酸；室温即可呈液态，低毒易降解，广泛用于萃取、生物质转化、制药。
Ⅳ 型：金属盐作为氢键受体，搭配尿素 / 乙二醇等供体
可负载高浓度金属离子，配位结构赋予独特电化学性能，多用于金属电沉积、电化学催化。
Ⅴ 型（新兴无盐体系）：全分子氢键组合
不含季铵盐、金属卤化物，由有机酸、多元醇、糖类等天然分子构成，即天然低共熔溶剂 NADES；生物相容性顶尖，适配食品、医药、生物领域。
文献数据洞察：主流体系分布
全球 TOP15 热门低共熔溶剂体系仅包含 Ⅲ 型、Ⅴ 型两类：
Ⅲ 型氯化胆碱基体系占据绝对主流，通用型强、适配全领域研究； Ⅴ 型无金属、无铵盐体系增速稳步提升，主打生物安全、环保属性，是未来研发新方向。
四、新一代体系：甜菜碱体系崛起，逐步替代氯化胆碱
我们统计 2021-2025 年各类溶剂体系年复合增长率，发现行业正在发生结构性变革：
- 1、存量体系饱和：传统氯化胆碱体系文献基数大，但年度增速放缓，基础表征研究趋于饱和；
- 2、甜菜碱体系爆发增长：甜菜碱基共熔溶剂年增速领跑全品类，成为第二代低共熔溶剂核心；
优势：两性离子结构、天然来源、生物相容性更强、合规风险更低； - 3、专利布局分化：甜菜碱新兴体系同步配套大量专利，商业化潜力显著；氯化胆碱体系虽研究海量，但专利数量偏少，存在规模化落地瓶颈；整体行业创新重心正向甜菜碱等新型无氯体系转移，有望解决传统氯化胆碱溶剂的工业应用短板。
五、全产业链应用全景：覆盖医药、能源、环境、制造
依托 CAS 文献专利数据，梳理低共熔溶剂十大核心落地赛道：
1. 生物医药与制药：天然低共熔溶剂（NADES）是核心载体：提升疏水药物溶解度、稳定蛋白 / 酶等生物大分子、助力透皮 / 黏膜给药；可用于抗菌制剂、生物样本低温保存；同时简化原料药合成、提纯全流程，替代高毒有机溶剂。
2. 生物质高值化利用：木质纤维素预处理、选择性脱木质素、溶解半纤维素，提升糖转化收率；温和条件下提取糠醛、5 - 羟甲基糠醛等平台化学品，打造绿色生物精炼工艺。
3. 食品与功能性保健品：替代传统有机溶剂萃取植物多酚、黄酮、类胡萝卜素等抗氧化活性物质，完整保留天然活性，无溶剂残留风险。
4. 催化化学：酸碱催化、金属催化、生物酶催化通用介质；氢键网络稳定催化剂、活化底物，大幅提升产物选择性。
5. 环境污水治理：吸附染料、重金属、持久性有机污染物；协同酶催化、光催化降解污染物，水处理能耗更低、二次污染更少。
6. 储能电化学：锂电池、钠离子电池电解液、燃料电池质子传导介质、超级电容器离子环境；热稳定、不易燃、电化学窗口宽，大幅提升储能器件安全性。
7. 金属加工与资源回收：电沉积：镍、铜、钴及合金均匀镀层，无需电镀行业强腐蚀添加剂；湿法冶金：从矿石、废催化剂、电子垃圾中选择性浸出贵金属，替代强无机强酸，安全环保。
8. 气体捕获分离：可逆吸收 CO₂、SO₂，提纯沼气，依靠可调氢键亲和力实现精准气体分离。
9. 化妆品清洁标签配方：天然增溶剂、保湿剂、植物提取物载体，适配当下天然、温和护肤产品开发趋势。
10. 先进材料合成：纳米材料、MOF/COF、多孔碳、催化剂合成介质，精准调控晶体成核生长，反应条件温和无污染。
六、配方与应用匹配逻辑
从文献桑基图数据可见配方应用规律：
- 1、氯化胆碱多元醇 / 尿素 / 有机酸 Ⅲ 型体系：通用性最强，全行业所有应用领域均有大量研究，是实验室通用基础平台；
- 2、Ⅴ 型全天然分子体系：应用更聚焦生物医药、食品、环境修复，依托高生物相容性形成差异化优势；
不存在万能配方，行业研发思路正从单一通用体系，转向根据极性、酸度、氢键强度、离子特性定制专属溶剂配方，降低对氯化胆碱传统体系的依赖。
七、行业未来展望：标准化是规模化落地关键
尽管低共熔溶剂前景广阔，但工业化普及仍面临三大核心瓶颈：
- 1、组分敏感性极强：水分含量会彻底重构氢键网络，改变黏度、极性、电化学性能；缺少统一制备、检测、水分定量标准，实验重复性差；
- 2、黏度普遍偏高：高黏度阻碍传质传热，降低分离、催化、电化学工艺效率；
- 3、毒理与环境数据不完善：虽被冠以 “绿色溶剂” 标签，但不同配方毒性差异巨大，缺少统一标准化毒理测试方案。
行业发展破局方向
1、建立统一标准：原料配比、纯度、水分检测、制备流程标准化，打通实验室到工厂的稳定量产链路； 2、技术工具赋能：分子模拟、高通量筛选、光谱快速表征，实现定向设计专用溶剂； 3、完善安全评估：全谱系生物毒理、环境降解数据积累，补齐工业化合规短板。
长远来看，低共熔溶剂是持续迭代的绿色化工平台，只有实现配方、表征、质控体系规范化，才能彻底释放其产业价值。
常见问答
Q1：什么是低共熔溶剂？
低共熔溶剂是由盐、尿素、甘油等易得原料复配形成的混合溶剂，用于各类化学反应、分离提纯，是新一代绿色反应介质。
Q2：为什么低共熔溶剂更 “绿色”？
原料天然易得、可生物降解；低温即可形成液态，大幅降低生产能耗；生物相容性好，毒性远低于传统有机溶剂。
Q3：低共熔溶剂主要用在哪些领域？
生物质分解、植物活性物提取、新一代电池电解液、污水治理修复、药物递送与制药生产等。
来源：CAS Insights
发布时间：2026 年 7 月 21 日
作者：Jeremy Krogman 博士（CAS 材料首席科学家）、Hina Goyal（信息科学家）
