預組織與協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

中國科學院化學研究所，膠體、界面與化學熱力學實驗室，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數大約為10%–15%。CO2的大量排放對我們的生存環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世紀人們所面臨的嚴峻挑戰之一。CO2的捕集和存儲(carbon dioxide capture and storage，CCS)是減少 CO2排放的重要技術之一1。目前，工業上常用單乙醇胺水溶液(30%質量分數)捕集CO2，但吸收劑對CO2的捕集量僅有～7% (質量分數，w)，且吸收劑在高溫再生過程中設備腐蝕嚴重、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性的難題5。

近日，河南師范大學化學化工學院/綠色化學介質與反應教育部重點實驗室王鍵吉教授課題組在離子液體捕集 CO2研究方面取得進展。他們基于預組織6和協同作用的理念,首次設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進行1 : 1等計量比的作用；而基于預組織理念構建的環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進行1 : 2的多摩爾作用。通過預組織與協同作用，在體積分數為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，質量捕集量高達22% (w)，而且在碳捕集過程中體系的粘度明顯降低。在連續進行的 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譜學研究表明，預組織陰離子[Suc]中兩個順式―N―C＝O―活性位點與CO2之間的協同作用，是達到高捕集量的主要原因。

該研究工作近期已在 Angewandte Chem ie International Edition上在線發表7。這一研究成果為進一步研究活性位點與 CO2之間的相互作用提供了新的思路，為設計開發適用于低濃度CO2高效可逆捕集分離的新材料、新方法提供了新的啟示。

References

(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