负载型离子液体吸附分离CO2的研究现状及展望

人口增长与全球工业化的加速发展促使化石能源需求量逐年递增,由此导致大气中二氧化碳（CO₂）含量快速上升并引发了全球系列气候问题,“碳达峰·碳中和”背景下的CO₂减排刻不容缓。传统工业捕集CO₂方法由于能耗高、选择性较差、溶剂损耗大等问题限制了其大规模推广应用,离子液体因其极低挥发性、强的气体亲和性、可调的结构性质等特点在CO₂捕集分离领域逐渐显示出独特优势,但离子液体特别是功能化后通常黏度较高或室温呈固态,导致气液传质效果差或无法直接应用于吸收分离过程。负载型离子液体兼具离子液体和多孔材料的共同优势,不仅能提升选择性分离效果,有效避免离子液体直接吸收造成的高黏度,还可拓展离子液体应用范围,具有广阔的发展前景。重点总结了近些年物理和化学负载型离子液体在CO₂吸附分离方面的研究现状和进展,并对负载型离子液体捕集分离CO₂研究的发展趋势进行了展望。     

超强碱离子液体-有机胺-水复配溶剂高效CO2捕集

CO₂捕集是实现碳减排的重要技术之一。其中，化学吸收法是一种有效的、适用于低CO₂分压的CO₂捕集技术。开发出一种高效、低能耗、环保的吸收剂是该领域的研究难点和热点。离子液体(ILs)作为一类绿色溶剂，在CO₂捕集中具有结构可调节、反应速率快、吸收量高等优势，但存在黏度大、价格昂贵等问题，本工作提出将超强碱离子液体1,8-二氮杂二环[5,4,0]十一碳-7-烯咪唑([HDBU][Im])与单乙醇胺(MEA)复配得到离子液体复配溶剂，来提高吸收剂的CO₂吸收量并降低吸收CO₂后溶剂的黏度。研究了离子液体浓度、吸收温度、CO₂分压等对离子液体复配溶剂捕集CO₂性能的影响，测定了离子液体复配溶剂在不同CO₂负荷下的密度和黏度等物性。结果表明，30wt%MEA+10wt%[HDBU][Im]具有较好的吸收能力，在40℃下，CO₂吸收量达到0.1453 g CO₂     

胆碱类低共融溶剂在CO2捕集与分离中的应用

胆碱类低共融溶剂是一种新型的离子液体。它不仅具有传统离子液体的优点,还具有价格低廉、低毒、生物可降解等优势。对胆碱类低共融溶剂在CO₂捕集与分离中所涉及的物理性质,如气体的溶解度、CO₂的吸收-解吸、密度、稳定性、黏度和表面张力等进行考察,并分析了胆碱类低共融溶剂的结构对各物性的影响。通过与传统离子液体的对比,胆碱类低共融溶剂在CO₂捕集与分离中的应用具有一定的优势,如CO₂溶解度高,黏度低。然而,胆碱类低共融溶剂在气体的选择性分离、表面张力等的研究还不足,且热稳定性方面还存在瓶颈,因此,其在CO₂捕集和分离中的应用还有待进一步探讨。     

离子液体/金属有机框架复合材料捕集分离CO2

由于全球气候变化加剧和极端天气的增加,CO₂捕集分离已经不单单具有重要的战略意义,更关乎人类的生存。近年来,用于捕集分离CO₂的新型材料层出不穷,其中,离子液体(ionic liquids,ILs)具有可调变的化学结构和独特的物理化学性质,例如低挥发性、高热稳定性和较好的溶解性,从而引起了广泛关注。同时,金属有机框架结构材料(metal-organic frameworks,MOFs)在CO₂捕集分离方面也表现出优异性能。基于此,本文总结了ILs与MOFs相结合的ILs/MOFs复合材料捕集分离CO₂的研究进展,主要包括ILs负载于MOFs材料和对MOFs进行改性的吸附分离、MOFs材料分散于ILs中形成多孔液体的吸收分离、膜分离等方法的研究现状,同时,深入探讨了各方法的优点和不足之处,并对ILs/MOFs复合材料在CO₂捕集分离中的应用前景和发展趋势进行了展望。     

CO2捕集溶剂吸收法的研究进展

针对最主要的CO₂捕集方法溶剂吸收法，系统梳理了吸收剂有机胺、离子液体、低共熔溶剂以及相变溶剂在碳捕集领域的技术发展历程和现状，并分析了相关技术的发展趋势。目前溶剂吸收法主要以有机胺为主，但仍面临能耗和降解率高等问题，新型胺液溶剂的开发和应用还需时间验证。离子液体、低共熔溶剂和相变溶剂尽管具有替代有机胺捕集CO₂的潜力，但受成本和溶剂黏度的限制，依然面临着较多的技术挑战。因此，溶剂吸收法捕集CO₂技术开发仍有很大的提升空间。     

相变离子液体体系吸收分离CO2的研究现状及展望

全球工业化的迅速发展及人口增长使得化石燃料消耗不断增加，导致二氧化碳(CO₂)排放量逐年递增，引发全球化气候问题。醇胺吸收法目前在工业CO₂捕集应用最广泛，主要以单乙醇胺、甲基二乙醇胺等水溶液为吸收剂，存在溶剂损耗大、再生能耗高等问题，开发高效低能耗的新型吸收剂是实现CO₂大规模捕集的关键。离子液体具有气体亲和性好、蒸气压低、结构性质可调等特点，其中相变离子液体体系因节能潜力大被认为是新一代CO₂吸收剂，其吸收CO₂后由均相变为互不相溶的液-液或液-固两相，再生时仅需对CO₂富相加热处理，可有效减少吸收剂再生体积，降低再生能耗。重点总结近五年相变离子液体体系在CO₂分离的研究现状和进展，对不同相变行为的液-液和液-固相变离子液体体系分类阐述和讨论，并对其发展趋势进行展望。     

离子液体膜材料分离二氧化碳的研究进展

离子液体由于具有不易挥发、结构可调、对CO₂有良好的吸收性能等特点而成为当前CO₂分离领域的研究热点,但因高黏度和高成本问题而限制了其工业化应用。将离子液体与气体分离膜材料结合,得到的新型分离膜材料兼具离子液体和膜的优势,成为当前离子液体研究领域的趋势之一。针对这一热点问题,综述了离子液体支撑液膜、聚离子液体膜和离子液体共混/杂化膜在CO₂分离方面的研究现状和进展,讨论了离子液体结构和含量对膜分离性能、稳定性等的影响。相关研究表明,离子液体共混/杂化膜具有较高的分离性能和稳定性,是一种很有应用前景的CO₂分离材料。提出该领域的重点发展方向,即开发新的功能化离子液体共混/杂化膜材料是解决高渗透通量与高稳定性之间矛盾、强化CO₂分离性能的有效途径,深入研究离子液体共混/杂化膜的形成机制、气体在膜中的渗透行为以及CO₂分离机理。     

氨基功能型离子液体吸收CO2的性能

氨基功能型离子液体在常温常压下对CO₂具有较强的吸收选择性能,在分离固定CO₂方面具有较好的应用前景。合成了4种氨基功能型离子液体,对产物进行了IR和¹H NMR表征,探究了这些功能型离子液体的CO₂吸收性能及再生性能。结果表明,4种氨基功能型离子液体均具有强于常规型离子液体的CO₂吸收性能,再生性能良好,可循环使用;离子液体的CO₂溶解度受黏度影响显著,随吸收温度的升高而降低,随吸收压力的升高,吸收剂浓度的增加而增大;强化传质能提高再生效率,多次的再生对离子液体的吸收性能没有明显影响。     

硅基离子液体微颗粒强化气体捕集与转化的研究进展

解决工业过程污染气体的过量排放问题,具有重要的科学和环境意义。离子液体(ILs)作为室温呈液态的绿色溶剂,在气体捕集转化方面具有独特的优势,但天然的高黏度特性严重阻碍了其工业应用。本团队基于多年研究发现,不执拗于大幅降低离子液体的黏度,而顺其自然,通过“微颗粒化”技术,实现离子液体于准静止状态的高效利用,是离子液体适应工业化的有效路径之一。鉴于此,综述了以二氧化硅(SiO₂)为介质的离子液体微颗粒,及其衍生的离子液体纳-微界面反应单元在气体捕集(VOCs和CO₂)和CO₂转化方面的应用研究进展,探讨了微颗粒化离子液体体系较传统体系的特性优势,并分析了离子液体“微颗粒化”的应用前景及工业可行性。     

肉桂酸型离子液体的合成及其二氧化碳吸收

合成了一系列肉桂酸型功能化离子液体,研究了其CO₂ 吸收性能。结果表明,肉桂酸型功能化离子液体吸收二氧化碳性能良好,其阴离子苯环上的取代基会影响CO₂ 吸收性能。随着温度的升高和压力的降低,其CO₂吸收性能都会降低。同时,该离子液体具有很好的循环稳定性,经过5 次吸收脱附循环,该离子液体仍能保持较高的CO₂ 吸收量。结合红外光谱和其低浓度下CO₂ 的吸收研究发现肉桂酸型离子液体吸收CO₂ 存在着化学作用。     

功能化离子液体在二氧化碳吸收分离中的应用

吸收及分离二氧化碳是降低碳排放和应对全球气候变化的主要策略之一,这就必然要求全球科技工作者注重开发具有选择性高效吸收分离二氧化碳的新材料和新路线。作为近20多年来发展的一类代表性的新材料,离子液体（尤其是功能化离子液体）具有独特的物理化学性质,例如几乎没有蒸气压、液态温度范围大、热稳定性和化学稳定性好、电化学窗口宽、不可燃、结构-性质可调控等。这些性质使离子液体在二氧化碳吸收及分离领域受到广泛关注。重点综述了近5年（2015~2019）来功能化离子液体吸收分离二氧化碳的研究进展, 主要内容包括单位点离子液体、多位点离子液体、基于功能化离子液体的混合物、功能化离子液体杂化材料对二氧化碳的吸收分离。同时, 对目前该领域的发展所面临的主要问题和进一步的研究工作进行了分析讨论。     

The effect of protic ionic liquids incorporation on CO2 separation performance of Pebax-based membranes

The separation of carbon dioxide (CO₂) is of great importance for environment protection and gas resource purification. The ionic liquids (ILs)-based gas separation membrane provides a new chance for efficient CO₂ separation, while high permeability and selectivity of membranes is a great challenge. In this study, the influence of two protic ILs with different anion ([TMGH][Im] and [TMGH][PhO]) on the CO₂ separation performance of the prepared ILs/Pebax blended membranes were systematically investigated at different temperature. The results showed the CO₂ permeability exhibits the rising trend for ILs/Pebax blended membranes with the increment of IL content. Especially, the [TMGH][Im] with low viscosity and high CO₂ absorption capacity leads to the blended membranes showing better CO₂ permeability and ideal CO₂ selectivity than that of membranes with [TMGH][PhO] at high IL content. Besides, with operating temperature increasing, the gas permeability of 20% (mass) [TMGH][Im]/Pebax blended membrane increases due to the decreasing viscosity of IL and the rising chain mobility of polymer. Inversely, the gas selectivity shows decreasing trend because CO₂ absorption capacity obviously decreased at higher temperature.     

离子液体吸收分离一氧化碳的研究进展

离子液体（ILs）作为一种新型的绿色溶剂在吸收和分离一氧化碳（CO）方面显示出了独特的优异性和潜在的应用价值。对近年来ILs参与CO吸收分离的研究工作进展进行了综述,主要包括常规ILs、阴离子功能化ILs、ILs/Cu (Ⅰ)盐和ILs支撑液膜。重点论述了CO在ILs中的溶解度及对其他气体的选择性,并与ILs吸收分离二氧化碳（CO₂）性能进行了比较;着重讨论了阴阳离子种类、取代基类型、温度、压力等因素对ILs吸收分离CO性能的影响,并介绍了ILs吸收CO的机理。最后,对设计合成新型功能化ILs应用于高效吸收分离CO提出了一些建议。     

功能型离子液体协同吸收NH3和CO2的密度泛函理论研究

离子液体（ILs）由于其独特的结构可调性,作为添加剂可有效抑制氨法碳捕集中NH₃的逃逸并同时促进CO₂的吸收。揭示其吸收NH₃和CO₂的作用机理对于构建特定的功能型ILs结构具有重要意义。本文采用密度泛函理论（DFT）,在B3LYP/6-31'++G（d,p）基组水平下对设计的五种功能型ILs进行了结构优化、频率计算以及原子电荷分析,获得了优化后的结构参数、振动频率以及原子电荷等数据。在此基础上对ILs吸收CO₂和NH₃进行了相互作用分析。计算结果表明：[HEBim][His]的稳定性最好,经过BSSE校正后的相互作用能为-415.73 kJ·mol^-1。通过静电势和电荷分析找到了设计的ILs与气体作用的最佳位点：NH₃主要与ILs阳离子的羟基形成 O—H…N型氢键,其中,[HEBim][His]吸收NH₃的能力最强,形成的氢键结合能为38.52 kJ·mol^-1,具有较强的氢键作用;CO₂主要与阴离子中的氨基形成C—N…C型氢键,[HEBim][Ala]吸收CO₂的能力最强,形成的氢键结合能为10.15 kJ·mol^-1,具有较弱的氢键作用。当ILs同时与NH₃和CO₂相互作用时,其吸收能力均有不同程度的下降,[HEBim][His]与[HEBim][Ala]的综合吸收效果最佳。     

功能型离子液体协同吸收NH3和CO2的密度泛函理论研究

离子液体（ILs）由于其独特的结构可调性,作为添加剂可有效抑制氨法碳捕集中NH₃的逃逸并同时促进CO₂的吸收。揭示其吸收NH₃和CO₂的作用机理对于构建特定的功能型ILs结构具有重要意义。本文采用密度泛函理论（DFT）,在B3LYP/6-31'++G（d,p）基组水平下对设计的五种功能型ILs进行了结构优化、频率计算以及原子电荷分析,获得了优化后的结构参数、振动频率以及原子电荷等数据。在此基础上对ILs吸收CO₂和NH₃进行了相互作用分析。计算结果表明：[HEBim][His]的稳定性最好,经过BSSE校正后的相互作用能为-415.73 kJ·mol^-1。通过静电势和电荷分析找到了设计的ILs与气体作用的最佳位点：NH₃主要与ILs阳离子的羟基形成 O—H…N型氢键,其中,[HEBim][His]吸收NH₃的能力最强,形成的氢键结合能为38.52 kJ·mol^-1,具有较强的氢键作用;CO₂主要与阴离子中的氨基形成C—N…C型氢键,[HEBim][Ala]吸收CO₂的能力最强,形成的氢键结合能为10.15 kJ·mol^-1,具有较弱的氢键作用。当ILs同时与NH₃和CO₂相互作用时,其吸收能力均有不同程度的下降,[HEBim][His]与[HEBim][Ala]的综合吸收效果最佳。     

Recent progress of green sorbents-based technologies for low concentration CO2 capture

The increased concentration of CO₂ due to continuous breathing and no discharge of human beings in the manned closed space, like spacecraft and submarines, can be a threat to health and safety. Effective removal of low concentration CO₂ from the manned closed space is essential to meet the requirements of long-term space or deep-sea exploration, which is an international frontier and trend. Ionic liquids (ILs), as a widespread and green solvent, already showed its excellent performance on CO₂ capture and absorption, indicating its potential application in low concentration CO₂ capture. In this review, we first summarized the current methods and strategies for direct capture from low concentration CO₂ in both the atmosphere and manned closed spaces. Then, the multi-scale simulation methods of CO₂ capture by ionic liquids are described in detail, including screening ionic liquids by COSMO-RS methods, capture mechanism by density functional theory and molecular dynamics simulation, and absorption process by computational fluid dynamics simulation. Lastly, some typical IL-based green technologies for low concentration CO₂ capture, such as functionalized ILs, co-solvent systems with ILs, and supported materials based on ILs, are introduced, and analyzed the subtle possibility in manned closed spaces. Finally, we look forward to the technology and development of low concentration CO₂ capture, which can meet the needs of human survival in closed space and proposed that supported materials with ionic liquids have great advantages and infinite possibilities in the vital area.     

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。     

离子液体气体干燥技术的研究进展

离子液体（ionic liquids, ILs）被视为化工中传统溶剂的优良替代物,使用它们作为溶剂吸收可凝性气体时,具有溶剂损失少、无腐蚀和稳定性强等优点。一些ILs具有很强的吸水性,所以在气体干燥领域ILs受到了广泛关注。本文介绍了用于预测气体在ILs中溶解度的预测型分子热力学模型和气体在ILs中的实验测量方法,具体分析了ILs对CH₄、CO₂等气体的干燥机理和工艺,最后对ILs用于气体干燥的基础研究作出展望。