預(yù)組織與協(xié)同策略助力離子液體高效可逆捕集低濃度二氧化碳

韓布興

中國科學(xué)院化學(xué)研究所，膠體、界面與化學(xué)熱力學(xué)實驗室，北京 100190

二氧化碳(carbon dioxide，CO2)是主要的溫室氣體，其在煙氣中的體積分?jǐn)?shù)大約為10%–15%。CO2的大量排放對我們的生存環(huán)境和人類健康造成重要影響。因此，如何有效控制并減少CO2的排放是21世紀(jì)人們所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一。CO2的捕集和存儲(carbon dioxide capture and storage，CCS)是減少 CO2排放的重要技術(shù)之一1。目前，工業(yè)上常用單乙醇胺水溶液(30%質(zhì)量分?jǐn)?shù))捕集CO2，但吸收劑對CO2的捕集量僅有～7% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，w)，且吸收劑在高溫再生過程中設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、能耗高、溶劑損失量大2。近年來，用功能化離子液體(ionic liquid，IL) 捕集 CO2已有大量研究3。然而，離子液體對低濃度CO2的質(zhì)量捕集量仍然較低，這主要是由于離子液體活性位點少的緣故，而且在碳捕集過程中體系的粘度迅速增加，影響傳質(zhì)過程4。因此，如何高效可逆捕集低濃度CO2，仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的難題5。

近日，河南師范大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院/綠色化學(xué)介質(zhì)與反應(yīng)教育部重點實驗室王鍵吉教授課題組在離子液體捕集 CO2研究方面取得進(jìn)展。他們基于預(yù)組織6和協(xié)同作用的理念,首次設(shè)計合成了酰亞胺類陰離子功能化離子液體。密度泛函理論(density functional theory，DFT)計算表明，直鏈型二乙酰基胺陰離子(diacetam ide anion，[DAA])只能形成一個順式的―N―C＝O―位點，該位點有利于與CO2進(jìn)行1 : 1等計量比的作用；而基于預(yù)組織理念構(gòu)建的環(huán)型丁二酰亞胺陰離子(succinim ide anion，[Suc])則能夠形成兩個順式的―N―C＝O―活性位點，可以與CO2進(jìn)行1 : 2的多摩爾作用。通過預(yù)組織與協(xié)同作用，在體積分?jǐn)?shù)為10%的低濃度CO2條件下，每摩爾三丁基乙基鏻丁二酰亞胺離子液體(tributylethylphosphonium succinim ide，[P4442] [Suc])可以捕集 1.65 摩爾 CO2，質(zhì)量捕集量高達(dá)22% (w)，而且在碳捕集過程中體系的粘度明顯降低。在連續(xù)進(jìn)行的 16次吸收-脫附過程中，捕集效率沒有明顯下降。DFT計算、傅里葉變換紅外(FT-IR)和13C NMR譜學(xué)研究表明，預(yù)組織陰離子[Suc]中兩個順式―N―C＝O―活性位點與CO2之間的協(xié)同作用，是達(dá)到高捕集量的主要原因。

該研究工作近期已在 Angewandte Chem ie International Edition上在線發(fā)表7。這一研究成果為進(jìn)一步研究活性位點與 CO2之間的相互作用提供了新的思路，為設(shè)計開發(fā)適用于低濃度CO2高效可逆捕集分離的新材料、新方法提供了新的啟示。

References

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(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