功能化離子液體吸收活化二氧化碳制取甲酸

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(shí)驗(yàn)室，北京 100190

二氧化碳是主要的溫室氣體,同時(shí)又是重要的碳資源。因此，二氧化碳的捕集和利用(CO2capture and utilization，CCU)在解決由于化石燃料的大量使用所導(dǎo)致的環(huán)境和能源問題等方面具有重要的意義1-3。與傳統(tǒng)的二氧化碳捕獲和存儲(chǔ)(CO2capture and storage，CCS)技術(shù)相比4，CCU強(qiáng)調(diào)將捕獲的 CO2作為一種碳資源轉(zhuǎn)化為化學(xué)品和化學(xué)燃料，最終達(dá)到碳循環(huán)的目的。然而，CCU技術(shù)面臨的主要挑戰(zhàn)在于：在 CO2捕集方面，需要尋求環(huán)境友好、捕集容量高、選擇性好，且易于脫附再生的捕獲劑5,6；而在CO2的利用方面，開發(fā) CO2高效轉(zhuǎn)化的催化方法則是需要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問題7-9。

最近，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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王鍵吉教授課題組以功能化離子液體作為吸收劑和電解質(zhì)，通過光電化學(xué)還原方法成功地將CO2高效轉(zhuǎn)化為甲酸。研究結(jié)果表明，在以功能化離子液體溴化1-胺丙基-3-甲基咪唑(1-aminopropyl-3-methylimidazolium bromide，[NH2C3MIm][Br])水溶液(0.454 mol·L-1)為 CO2的吸收劑和電解質(zhì)，WO3/BiVO4復(fù)合薄膜為光陽極，銀片為電陰極的光電反應(yīng)體系中，CO2的溶解度達(dá)到 0.211 mol·L-1，且在外加電壓為 1.7 V 時(shí)產(chǎn)物甲酸的法拉第效率達(dá)到94.1%，電能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率達(dá)到86.2%。電化學(xué)循環(huán)伏安實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的 KHCO3和非功能化的溴化 1-丁基-3-甲基 咪 唑 (1-butyl-3-methylimidazolium bromide，[C4MIm][Br])離子液體電解質(zhì)相比，CO2在水溶液中的起始還原電位明顯正移，說明了功能化離子液體[NH2C3MIm][Br]具有較強(qiáng)的活化CO2的能力。密度泛函理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)一步表明，電極表面吸附的離子液體陽離子的 2位 C原子和 CO2之間較強(qiáng)的相互作用對(duì)活化 CO2起到了重要的作用。不同外加電壓條件下的電能-化學(xué)能、光能-化學(xué)能轉(zhuǎn)化效率的計(jì)算結(jié)果表明，在1.1 V的外加電壓條件下，光能-化學(xué)能的轉(zhuǎn)化效率可以達(dá)到 0.11%。此結(jié)果也進(jìn)一步說明，將太陽能引入到 CO2光電轉(zhuǎn)化體系中，可以有效地補(bǔ)償CO2還原反應(yīng)的過電位和體系阻抗造成的電能消耗。

該研究工作近期已在 Angewandte Chemie International Edition上在線發(fā)表10。該研究集綠色溶劑離子液體對(duì) CO2的捕集和轉(zhuǎn)化于一體，利用溫室氣體 CO2的光電化學(xué)還原制取高附加值的化學(xué)品，為實(shí)現(xiàn) CO2的有效轉(zhuǎn)化和利用提供了一種新的思路。

(1) Wang, W.; Himeda, Y.; Muckerman, J. T.; Manbeck, G. F.; Fujita, E. Chem. Rev. 2015, 115, 12936. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00197

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(3) Sakakura, T.; Choi, J. C.; Yasuda, H. Chem. Rev. 2007, 107, 2365. doi: 10.1021/cr068357u

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(5) Zeng, S.; Zhang, X.; Bai, L.; Zhang, X.; Wang, H.; Wang, J.; Bao, D.; Li, M.; Liu, X.; Zhang, S. Chem. Rev. 2017, 117, 9625. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00072

(6) Koronaki, I. P.; Prentza, L.; Papaefthimiou, V. Renew. Sustainable Energy Rev. 2015, 50, 547. doi: 10.1016/j.rser.2015.04.124

(7) Chu, S.; Cui, Y.; Liu, N. Nat. Mater. 2017, 16, 16. doi: 10.1038/nmat4834

(9) Hernandez, S.; Farkhondehfal, M. A.; Sastre, F.; Makkee, M.; Saracco, G.; Russo, N. Green Chem. 2017, 19, 2326. doi: 10.1039/c7gc00398f

(10) Lu, W.; Jia B.; Cui, B.; Zhang, Y.; Yao, K.; Zhao, Y.; Wang, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, doi: 10.1002/anie.201703977