多位点离子液体聚合物催化CO2环加成反应研究

CO₂与环氧化物环加成反应制备环状碳酸酯是一条绿色经济的CO₂利用途径。针对现有CO₂与环氧化物环加成反应中非均相离子液体催化剂活性低和活性组分易流失等问题,设计制备了系列多位点离子液体超交联聚合物HCPs-[DmPhe]Br,研究了多位点协同作用、超交联聚合物组成和结构等因素对其催化CO₂与环氧化物环加成反应性能的影响。其中,同时含有双季铵-卤素离子对、羟基和叔胺结构的HCP-[DmPhe]Br-DCX离子液体超交联聚合物催化剂,在1.3 MPa, 130℃,8 h的条件下,可实现94%的碳酸丁烯酯收率,且催化剂循环稳定性好,重复使用5次,催化活性没有明显降低。另外,超交联聚合物的多孔结构以及大比表面积促进了离子液体的较好分散,使其与离子液体单体具有相当的活性。该工作对CO₂与环氧化物环加成反应高效非均相离子液体催化剂的开发与优化具有一定的借鉴意义。     

多孔有机聚合物催化二氧化碳合成环状碳酸酯研究进展

二氧化碳（CO₂）捕集、利用和储存（CCUS）在全球能源结构转型中是一种极具潜力的策略,能够实现能源供给、基础原料产出以及限制气候变化。多孔有机聚合物（POPs）具有高CO₂吸附容量和吸附选择性、突出的结构特性以及优异的化学可调控性,其作为极具潜力的材料广泛应用于催化CO₂参与的有机反应中。其中,CO₂与环氧化物环加成生成环状碳酸酯的反应具有100%的原子经济性,且其产物也极具工业价值。本文基于CO₂环加成反应催化机制,从催化剂的合成方法、结构性质与组成特性角度出发,综述了POPs在CO₂/环氧化物环加成反应的研究进展,包括金属配合物类、氢键供体类、离子液体类、金属配合物/离子液体和氢键供体/离子液体等有机多孔聚合物体系。通过阐述POPs在催化CO₂制备高附加值环状碳酸酯反应中的研究现状和发展趋势,为POPs的开发与应用以及CO₂综合利用的工业化探索提供具有建设性的指导意见。     

CO2高效转化为碳酸丙烯酯研究进展

双碳”策略倡导绿色可持续发展，将能源终端产物CO₂为转化为高附加值化学品备受关注。CO₂的催化转化一般采用均相和非均相催化剂进行催化，在本文中对CO₂与环氧化物合成为环状碳酸酯进行了探讨和展望，高效催化转化CO₂方法为制备碳酸丙烯酯(PC)提供了绿色合成路线，PC用途广泛，可用于合成聚碳酸酯、医药中间体，也可用作绿色溶剂、添加剂和电解池电解液等优点，能进行多种复杂的合成化学反应。     

多孔超交联聚合物固载离子液体催化二氧化碳环加成反应的研究进展

CO₂是一种主要的温室气体,以CO₂为原料与环氧化物发生环加成反应可以制备各种环状碳酸酯,是一种绿色可行的CO₂捕集及利用途径。多孔超交联聚合物固载离子液体（hypercrosslinked polymers immobilized ionic liquids,HCP-ILs）催化CO₂环加成反应具有无需溶剂、金属和助催化剂等优点。本文对其近年来的最新研究进展进行了综述,总结了离子单体自聚/共聚或交联法、离子与交联一步法以及交联后修饰法三种制备超交联聚合物固载离子液体方法的特点,分析了目前还存在离子密度偏低、催化效率不够高以及制备成本偏高等不利于“CO₂化工”应用的问题,并指出为实现在常压下快速催化CO₂与环氧化物的环加成反应,应从提高离子密度、调控表面活化功能基团和离子微环境以及降低制备成本等方向加强理论研究和技术攻关。     

CO2与环氧化物耦合制备环状碳酸酯的多相催化体系研究进展

作为最主要的温室气体,二氧化碳(CO₂)的过度排放已导致了严重的环境问题。同时,CO₂也属于储量丰富、廉价、安全和可再生利用的C1资源,被认为是有机合成的理想碳材料。高效且绿色的化学固定CO₂耦合制备具有高沸点、高极性、低挥发性和可生物降解性等优点的环状碳酸酯是CO₂资源化利用的有效方式,已引起社会各界的广泛关注。本文首先简述了目前合成环状碳酸酯的现有反应路径。然后,以CO₂和环氧化物的耦合反应为出发点,着重分析了该反应发生所涉及的反应机理以及催化该反应时多相催化体系的设计思路和当前研究进展。同时,综合比较了不同多相催化体系的催化条件、催化活性及循环使用性等催化参数的优缺点。最后,基于上述分析,本文总结了不同多相催化体系的应用前景并建议其后续发展应与均相催化体系相结合,利用两者的优势高效活化CO₂与环氧化物,以实现温和条件下催化耦合反应。     

钴卟啉-四丁基溴化铵串联催化苯乙烯在氧气和二氧化碳中合成碳酸苯乙烯酯

通过仿生催化，将苯乙烯、氧气（O₂）和二氧化碳（CO₂）直接合成环状碳酸酯在现代化学中极具学术研究意义和工业应用价值。采用钴卟啉-四丁基溴化铵为双组分催化剂，以2-氧代环戊烷羧酸甲酯为助剂，在O₂和CO₂条件下，直接将苯乙烯转化为碳酸苯乙烯酯。系统考察了催化剂用量等因素对催化性能的影响。在最佳反应条件下，苯乙烯的转化率高达99%，环状碳酸酯的收率可达35%。利用在线紫外与在线红外探讨了该串联反应可能的机理。结果表明，钴中心与2-氧代环戊烷羧酸甲酯的环内氧原子配位后活化氧气形成过氧活性物种，进而形成高价钴-氧中间体，其通过传递氧原子给苯乙烯而生成环氧苯乙烷。而后，环氧苯乙烷在四丁基溴化铵的催化作用下开环，并通过CO₂插入反应和分子内闭环反应最终生成环状碳酸酯。     

离子液体和低共熔溶剂催化二氧化碳合成有机碳酸酯的研究进展

离子液体和低共熔溶剂因其良好的溶解与催化能力,可催化CO₂转化为高附加值化学品。本文综述了离子液体和低共熔溶剂催化CO₂转化为有机碳酸酯的研究进展,分析了CO₂与醇生成直链碳酸酯以及与环氧化物生成环状碳酸酯的反应机理;介绍了传统型、质子型、功能化离子液体以及由氯化胆碱、季铵盐与季膦盐、有机碱等作为氢键受体组成的低共熔溶剂,及其在CO₂转化为直链和环状碳酸酯反应中的催化性能;总结了此两类反应中离子液体和低共熔溶剂设计的基本规律;指出了CO₂转化反应中离子液体与低共熔溶剂存在的催化效率低、稳定性不高、后续分离困难等问题,后续研究可结合计算机辅助设计方法,探索更合适的阴阳离子/氢键供受体组合,获得更高效的催化体系。     

CO2合成醇酯类化学品和高分子材料研究进展

我国作为煤炭大国,燃烧化石燃料产生大量CO₂。通过化学作用将CO₂转化为能源燃料、基础化学品或高分子材料,有利于实现碳氧资源综合利用。从CO₂直接利用和间接利用的角度出发,分别综述了CO₂资源化利用研究进展。直接利用方面,重点阐述了CO₂直接加氢合成甲醇和乙醇;同时CO₂可作为羰化剂合成有机碳酸酯和高分子材料,包括碳酸二乙酯、聚碳酸酯和CO₂基可降解聚合物。在间接利用方面,重点综述了CO₂经碳酸乙烯酯的酯交换反应合成碳酸二甲酯,以及碳酸乙烯酯加氢制备甲醇联产乙二醇的研究进展。CO₂加氢直接合成甲醇催化剂主要包括铜基催化剂、贵金属催化剂,由于贵金属的成本高,廉价的Cu基催化剂研究较为广泛。CO₂加氢直接合成乙醇研究较广泛的催化剂为贵金属(Rh、Pd、Ru)基催化剂体系,还需进一步研究廉价、高活性和高稳定性的催化剂。CO₂与乙醇直接合成碳酸二乙酯(DEC)研究较多的催化剂为铈基多相催化剂,但由于生成物中水分的影响,限制了DEC的收率。环氧化物和CO₂耦合反应生成DEC过程中不产生水,可以有效克服热力学的限制,因此高能化合物与CO₂的耦合路线是高效制备DEC的有效途径。CO₂与环氧化物共聚制备聚碳酸酯材料多采用稀土三元催化剂体系,环氧化物的转化率和聚碳酸酯选择性较高,目前已经实现工业应用。CO₂通过碳酸乙烯酯与甲醇酯交换合成DMC,多使用碱性较强的催化剂和含碱性基团的离子交换树脂。CO₂经碳酸乙烯酯加氢制备甲醇和乙二醇的反应中,铜基催化剂展现出优异的催化性能。CO₂化学转化利用是CO₂碳氧资源综合利用的重要途径,将有效支撑我国未来碳中和目标实现。     

金属配合物催化CO2转化为环碳酸酯的研究进展

利用CO2与环氧化合物的环加成反应制备环状碳酸酯，具有100%的原子经济性、环境友好等特点，有利于缓解“温室气体效应”，有着重要的理论和现实意义。开发新颖、高效的催化体系是该反应顺利快速进行的关键所在。近年来，金属配合物催化体系在环氧化物和CO2环加成反应应用最多，催化效果最为出色。综述了金属配合物催化体系如主族金属、过渡金属、镧系金属以及3d-4f金属催化剂等在CO2与环氧化物环加成反应领域的研究进展，为今后合成新型高效金属配合物催化体系提供重要参考。     

不同催化剂体系作用于CO2和环氧化合物环加成法合成环状碳酸酯反应机理研究进展

CO₂与环氧化合物合成环状碳酸酯具有100%的原子利用率，是CO₂化学利用法最有效的途径之一，且环状碳酸酯应用范围广泛，如非质子溶剂、锂离子电池中的电解质、聚碳酸酯和聚氨酯合成的单体、药物中间体以及其他精细化学品等。综述了近年来上述反应催化体系的最新进展，包括动力学、机理研究，并重点介绍了影响其活性和选择性的参数。     

A mini review on chemical fixation of CO 2 : Absorption and catalytic conversion into cyclic carbonates

In this article, we present our research results on chemical fixation of CO₂ using organobismuth compounds. We fabricated bismuth biphenoate complex, Zn-Mg-Al composite oxides, and SBA-15 or Al-SBA-15 immobilized hydroxyl ionic liquid for CO₂ cycloaddition onto epoxides. The hypervalent bismuth compounds show good ability for association and dissociation with CO₂. The bismuth biphenolate complexes are catalytically effective for the cycloaddition reaction. The heterogeneous catalysts, viz. Zn-Mg-Al oxides and SBA-15 or Al-SBA-15 immobilized ionic liquid, are efficient for the synthesis of cyclic carbonate from CO₂ and epoxide. It is found that the presence of a trace amount of water can improve the catalytic activity of the immobilized ionic liquid.     

Efficient homogenous catalysis of CO2 to generate cyclic carbonates by heterogenous and recyclable polypyrazoles

The cycloaddition between CO₂ and epoxides to produce cyclic carbonate is an attractive and efficiency pathway for the utilization of CO₂ as C1 source. The development of catalyst to mediate cycloaddition between CO₂ and epoxides at low temperature and pressure is still a challenge. Herein, a series of polypyrazoles with glass transition temperature (T_g) in the range of 42.3–52.5 ℃ were synthesized and served as catalyst to mediate the cycloaddition of CO₂ and epoxides by the assistant of tetrabutylammonium bromide. The catalytic behaviors of polypyrazole on the model cycloaddition of CO₂ to epichlorohydrin, including the reaction parameters optimization and versatility were investigated in detail, and excellent yield (99.9%) and selectivity (99%) were obtained under the optimized reaction conditions of 70 ℃ and 1.0 MPa for 6.0 h. Noteworthily, the polypyrazole acts as homogeneous catalyst during reaction (higher than T_g). And under room temperature, polypyrazoles can be easily separated and recovered, which is a promising feature of a heterogeneous catalyst. Furthermore, the reaction mechanism was proposed. The DFT calculation suggested that the formation of hydrogen bond between pyrazole and epoxide greatly reduced the energy barrier, which play an important role in promoting CO₂ cycloaddition.     

CO2化学转化研究进展概述

CO₂的化学转化以获得具有经济价值的能源或化学品为目标,可实现CO₂的资源化循环利用,是解决中国碳排放问题的理想方式之一。但由于CO₂极其稳定且转化路径复杂,导致其转化率低且产物选择性不佳。开键还原和不变价化合是CO₂化学转化的两条基本路径。在开键还原方面,CO₂加氢还原已有工业示范装置报道,但单程转化率较低且选择性不足;而CO₂光电还原目前尚处于实验室研发阶段。在化合转化方面,可将CO₂转化合成为碳酸酯/聚碳酸酯,或通过矿化过程实现CO₂的转化与利用,但反应系统的转化效率以及转化过程的经济性仍有待提高。在此背景下,科技部2016年启动了“基于CO₂高效转化利用的关键基础科学问题”国家重点研发计划项目。在未来的研究工作中,将阐明CO₂光电还原和加氢还原的微观动力学机制与能量传递路径,建立更加可控的催化剂制备方法,实现CO₂还原新途径与新技术的突破;研究CO₂与离子液体相互作用机制、催化转化过程及介质强化反应-传递耦合规律;揭示非碱性矿活化CO₂过程的相变规律和矿化反应原理,为CO₂转化与利用的大范围推广奠定基础。     

二氧化碳与不饱和烃制备丙烯酸及其衍生物研究进展

CO₂高值转化是“双碳”目标大背景下碳利用的有效方式。过渡金属络合物催化的CO₂与不饱和烃羧化反应是合成丙烯酸及其衍生物的新路线,也是CO₂高值利用的新途径。本文总结了多种金属络合物（Ni、Pd、Cu等）在催化CO₂与烯烃偶联羧化、CO₂与炔烃或联烯还原羧化制丙烯酸及其衍生物中的应用,着重概述了不同催化体系中的金属-配体优化和反应条件调控,系统对比了不同催化剂的催化特点和作用机制,并论述了其催化反应循环中的控速步骤以及催化剂再生等关键问题。最后,对过渡金属络合物催化CO₂与乙烯偶联羧化制备丙烯酸及CO₂与炔烃或联烯还原羧化合成高区域选择性不饱和羧酸衍生物的后续研究方向和应用前景进行了展望。     

Hollow MOF capsule encapsulated amino-functionalized ionic liquid for excellent CO2 catalytic conversion

The engineering of highly efficient and stable heterogeneous catalysts for catalytic conversion of CO₂ to high value-added products is highly desirable but presents a great challenge. Herein, we reported the synthesis of a series of multifunctional IL@H-Zn/Co-ZIF composite catalysts with a unique porous hollow capsule structure and encapsulated amino-functionalized ionic liquids (ILs). The unique hollow capsule structure of IL@H-Zn/Co-ZIF provides sufficient space for loading active ILs ([C₂NH₂Mim⁺][Br^-]) and fast mass transfer of substrate molecules during catalysis. Furthermore, the microporous Zn-ZIF shell can effectively avoid the leaching of active ILs. Benefiting from the unique hollow structure, the resultant IL@H-Zn/Co-ZIF demonstrated excellent catalytic performance (>95% yield), and good recyclability (still remained about 90% activities after 5 cycles) when applied in the CO₂ cycloaddition reaction under solvent and co-catalyst free conditions.     

Methanation of carbon dioxide: an overview

Although being very challenging, utilization of carbon dioxide (CO₂) originating from production processes and flue gases of CO₂-intensive sectors has a great environmental and industrial potential due to improving the resource efficiency of industry as well as by contributing to the reduction of CO₂ emissions. As a renewable and environmentally friendly source of carbon, catalytic approaches for CO₂ fixation in the synthesis of chemicals offer the way to mitigate the increasing CO₂ buildup. Among the catalytic reactions, methanation of CO₂ is a particularly promising technique for producing energy carrier or chemical. This article focuses on recent developments in catalytic materials, novel reactors, and reaction mechanism for methanation of CO₂.     

金属氧化物催化CO2与甲醇合成碳酸二甲酯的研究进展

CO₂是主要的温室气体。近年来随着工业的大力发展，CO₂的排放量迅猛增加，严重影响着人类的生存环境。将CO₂转化成有价值的化工产品，受到了研究领域的广泛关注。其中将CO₂与产能过剩的甲醇作为原料，生产碳酸二甲酯（DMC），既能减少CO₂排放，又能产生有价值的绿色产品DMC。本文简述了影响CO₂转化的因素，即受热力学限制和CO₂活化困难；重点介绍了具有酸碱活性中心的金属氧化物ZrO₂、CeO₂以及复合金属氧化物催化剂的催化性能和反应机理，并分析了影响催化活性的主要原因：表面酸碱性能决定了催化活性；进一步分析了催化剂表面的酸碱性来源于Lewis酸碱位和Br?nsted酸性位。对于开发高效的金属氧化物催化剂未来的研究方向提出了展望: 通过调控催化剂的晶相和形貌、增加氧空位和羟基官能团、掺杂碱性或者酸性物种来改变催化剂表面的酸碱性，并且向催化系统中添加脱水剂。最后指出了由于CO₂分子的稳定性很难被活化，需进一步深入研究其活化CO₂的机理，提高CO₂的转化率。     

CO2催化转化制碳酸丙烯酯研究进展：催化剂设计、性能与反应机理

CO₂催化转化合成碳酸丙烯酯（PC）是CO₂资源化循环利用的典型反应，同时产物PC作为重要的极性溶剂和聚合物单体在锂离子电池和高性能聚合物等关键领域的需求激增，因此受到科研界和工业界的关注。本文简要介绍了从CO₂出发催化转化合成PC的现有反应路径，详细介绍了目前应用最广泛的CO₂-环氧丙烷（PO）羧基化反应体系，包括CO₂-PO羧基化反应涉及的各种均相和非均相催化体系及其近期研究进展，重点总结了催化剂的设计、构效关系与反应机理。最后，提出了为实现CO₂-PO羧基化合成PC工艺的可持续发展所需解决的问题，并对此提出了解决思路和未来发展方向，以期为CO₂高效转化为绿色环保化学品PC技术的发展提供参考。     

二氧化碳的活化及其催化加氢制二甲醚的研究进展

CO₂是一种稳定的物质,其化学惰性限制了CO₂转化技术的发展。本文介绍了化学催化、生物活化、光电活化及等离子体活化等CO₂活化方式,从CO₂催化加氢合成二甲醚的工艺研究、催化剂开发、催化加氢机理和本征动力学研究等方面综述了CO₂催化加氢合成二甲醚的研究进展,认为化学催化法是目前应用最广泛的一种CO₂活化方式。对于一步法催化CO₂加氢合成二甲醚的工艺,其难点是制备高效CO₂活化催化剂。开发高效的CO₂活化及转化催化剂及对CO₂合成二甲醚的反应过程进行机理探究,是推广CO₂转化技术的关键。