预组织与协同策略助力离子液体高效可逆捕集低浓度二氧化碳

韩布兴

中国科学院化学研究所，胶体、界面与化学热力学实验室，北京 100190

二氧化碳(carbon dioxide，CO2)是主要的温室气体，其在烟气中的体积分数大约为10%–15%。CO2的大量排放对我们的生存环境和人类健康造成重要影响。因此，如何有效控制并减少CO2的排放是21世纪人们所面临的严峻挑战之一。CO2的捕集和存储(carbon dioxide capture and storage，CCS)是减少 CO2排放的重要技术之一1。目前，工业上常用单乙醇胺水溶液(30%质量分数)捕集CO2，但吸收剂对CO2的捕集量仅有～7% (质量分数，w)，且吸收剂在高温再生过程中设备腐蚀严重、能耗高、溶剂损失量大2。近年来，用功能化离子液体(ionic liquid，IL) 捕集 CO2已有大量研究3。然而，离子液体对低浓度CO2的质量捕集量仍然较低，这主要是由于离子液体活性位点少的缘故，而且在碳捕集过程中体系的粘度迅速增加，影响传质过程4。因此，如何高效可逆捕集低浓度CO2，仍然是一个具有挑战性的难题5。

近日，河南师范大学化学化工学院/绿色化学介质与反应教育部重点实验室王键吉教授课题组在离子液体捕集 CO2研究方面取得进展。他们基于预组织6和协同作用的理念,首次设计合成了酰亚胺类阴离子功能化离子液体。密度泛函理论(density functional theory，DFT)计算表明，直链型二乙酰基胺阴离子(diacetam ide anion，[DAA])只能形成一个顺式的―N―C＝O―位点，该位点有利于与CO2进行1 : 1等计量比的作用；而基于预组织理念构建的环型丁二酰亚胺阴离子(succinim ide anion，[Suc])则能够形成两个顺式的―N―C＝O―活性位点，可以与CO2进行1 : 2的多摩尔作用。通过预组织与协同作用，在体积分数为10%的低浓度CO2条件下，每摩尔三丁基乙基鏻丁二酰亚胺离子液体(tributylethylphosphonium succinim ide，[P4442] [Suc])可以捕集 1.65 摩尔 CO2，质量捕集量高达22% (w)，而且在碳捕集过程中体系的粘度明显降低。在连续进行的 16次吸收-脱附过程中，捕集效率没有明显下降。DFT计算、傅里叶变换红外(FT-IR)和13C NMR谱学研究表明，预组织阴离子[Suc]中两个顺式―N―C＝O―活性位点与CO2之间的协同作用，是达到高捕集量的主要原因。

该研究工作近期已在 Angewandte Chem ie International Edition上在线发表7。这一研究成果为进一步研究活性位点与 CO2之间的相互作用提供了新的思路，为设计开发适用于低浓度CO2高效可逆捕集分离的新材料、新方法提供了新的启示。

References

(1) Haszeldine, R. S. Science 2009, 325, 1647.doi: 10.1126/science.1172246

(2) Rochelle, G. T. Science 2009, 325, 1652.doi: 10.1126/science.1176731

(3) Cui, G.; Wang, J.; Zhang, S. Chem. Soc. Rev. 2016, 45, 4307.doi: 10.1039/c5cs00462d

(4) Gutowski, K. E.; Maginn, E. J. J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 14690.doi: 10.1021/ja804654b

(5) Zhang, X.; Zhang, X.; Dong, H.; Zhao, Z.; Zhang, S.; Huang, Y.Energy Environ. Sci. 2012, 5, 6668. doi: 10.1039/c2ee21152a

(6) Cram, D. J. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 1986, 25, 1039.doi: 10.1002/anie.198610393

(7) Huang, Y.; Cui, G.; Zhao, Y.; Wang, H.; Li, Z.; Dai, S.; Wang, J.Angew. Chem. Int. Ed. 2017, doi: 10.1002/anie.201706280