羟基吡啶型离子液体及其固载于MCM-41分子筛用于CO2捕集的理论计算

CO2排放导致的气候变化引起了全世界的广泛关注,离子液体捕集CO2作为一种潜在的替代技术被广泛研究。我们合成一系列新型羟基吡啶型离子液体用于化学吸收CO2,其中一种[P4444][2-Op]离子液体粘度低至193c P,吸收量高达1.20 mol CO2每摩尔离子液体。传统的阴离子吸收机理无法解释我们实验中温度与阳离子类型对吸收量的影响,在此,我们提出一种基于质子转移的阳离子参与吸收机理,它可以合理解释阳离子为季鏻盐时较高的吸收量以及吸收量随温度升高出现有趣拐点现象。另外,我们首次提出了离子液体的粘度与线性结合能的关联关系,这对于低粘度离子液体的设计合成具有一定的指导意义。通过量化计算分析偶极距,阴阳离子结合能,表面静电势,揭示了羟基吡啶型离子液体本身粘度的差异及CO2吸收前后粘度变化的主要原因是离子液体中电荷分布不同造成的。为了解决离子液体存在吸收速率慢的问题,我们将羟基吡啶型离子液体负载于介孔分子筛MCM-41。实验发现负载以后的复合材料具有吸附速率快、容量高、循环稳定性好等优点。此外,当离子液体负载量在一定范围内时,复合材料吸附CO2过程中产生了协同效应。为了从机理上探索负载对吸附的影响,我们建立了MCM-41分子筛及簇模型,研究了MCM-41分子筛表面与离子液体之间的相互作用,解释了热重实验中出现的两个质量损失阶段分别对应孔道内部的自由离子液体及负载于孔壁上的结合离子液体的分解。另外,通过对比负载前后复合材料吸附位点电荷分布,我们发现了复合材料的协同效应是由于极化诱导产生的,这种效应极大的提高了复合材料的吸附量。理论计算对CO2捕集材料的合成设计提供了有益启发。