质子型离子液体的合成及吸收二氧化碳的研究文献综述

 2022-12-03 15:11:43
  1. 文献综述
    1. 质子型离子液体简介

离子液体（ILs）是完全由阴阳离子组成的室温下为液体的熔融盐，它有着特殊的电子结构和作用力如静电力和氢键作用、范德华力和极化作用[1]等。这些特殊结构使得离子液体在常温常压中以均相液态存在，也使其拥有各种突出优点如可忽略不计的蒸气压，不易挥发，导电性好，强抗氧化性，热稳定性好；特殊的物理性质和化学性质如酸碱极性可变、阴阳离子协同、氢键-静电离子簇耦合、结构可设计等[2]。因此离子液体在工业中常作为催化剂并循环使用，符合当下对绿色化学的需求。

质子型离子液体（PILs）是离子液体的一个重要分支，它能直接通过相应的酸和碱中和制备[3,4]。与非质子型离子液体相比价格低廉且合成方法简单。尽管质子型离子液体在高温下有较高的挥发性，但研究发现，它们的CO2解吸温度要低得多，因此可以避免在吸收、解吸循环过程中出现明显的蒸发损失。这给大部分传统化工反应提供了改造的新空间，也受到了生产者和科学家的关注。

质子型离子液体的形成本质上是一个质子转移反应，组成质子型离子液体的阴阳离子有很多种，目前代表性的阳离子主要有5类(结构示意图如图1所示)：(a)伯，仲或叔铵阳离子（其中R1，R2和/或R3可以是氢原子）、(b)1-烷基咪唑鎓阳离子、(c)1-烷基-2-烷基咪唑鎓阳离子、(d)己内酰胺和(e)1,1,3,3-四甲基胍基；阴离子主要有6类(结构示意图如图2所示)：(a)羧酸根、(b)三氟乙酸根（TFA）、(c)双（全氟乙基磺酰基）酰亚胺（BETI）、(d)双（三氟甲磺酰基）酰亚胺（TFSI）、(e)硝酸根和(f)硫酸氢根离子[4]。不同的阴阳离子可以组合形成性质不同的质子型离子液体，进而应用于不同的实际情况。

图1.质子型离子液体的代表性阳离子结构示意图

图2.质子型离子液体的代表性阴离子结构示意图

离子液体的制备方式有很多种：一步合成法、两步合成法、辅助合成法（超声波辅助合成、微波辅助合成、电化学合成和液液萃取法）和一锅法。本次设计采用一步合成法。

    1. 二氧化碳的传统捕集技术及其局限性

天然气中CO2的存在导致热值降低，应消除其存在，以确保燃料利用效率。同时，人类活动排放的CO2被认为是全球气候变化的主要因素，对人类和环境造成严重不利影响。因此，CO2的脱除一直是研究的热点。工业中采用的一种常用方法是通过胺溶液如单乙醇胺（MEA）、二乙醇胺（DEA）和N-甲基二乙醇胺（MDEA）进行化学吸收。但这一方法在CO2再生时需要耗费大量能量，成本高昂，再生过程中胺也有可能分解进而形成损失甚至污染大气。另一方面，氨水溶液具有强碱性，会腐蚀设备、管道、储罐进而形成安全隐患[5]。因此就目前而言，这些胺基技术仍有其缺点，在为碳捕集需求提供最终解决方案之前，还需要进行重大变革。

    1. 质子型离子液体捕集转化二氧化碳的优势

研究发现，与传统的胺吸收剂相比，PILs具有更多优势：

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