近日，环境学院贠延滨教授课题组在CO₂化学吸收方向取得研究成果，研究论文“Experimental and theoretical investigation of an ionic liquid-based biphasic solvent for post-combustion CO₂ capture: Breaking through the “Trade-off” effect of viscosity and loading”发表于工程技术类一区TOP期刊《Chemical Engineering Journal》（IF=15.1）。贠延滨教授为通讯作者，论文第一作者为环境学院博士研究生毛家明，北京林业大学为第一完成单位。

图1. 两相溶剂吸收负荷、富相黏度与体积与文献值对比

两相溶剂在吸收一定负荷的CO₂后会自动分为富相和贫相，有助于降低CO₂捕集再生过程中的能耗，引起了众多研究者的关注。但是由于其自浓缩效应，溶剂富相通常具有较高的黏度且随着吸收负荷的提高而增加，这抑制了汽-液传质速率与活性位点的反应率，成为制约两相吸收剂发展的瓶颈问题。如何在不影响吸收负荷的前提下，突破富相黏度、负荷与富相体积三者之间的“权衡”效应，仍缺乏相应的研究。

图2. 氨基甲酸与DGME形成氢键前后的电子密度差分析

在本工作中，设计并合成了一种具有多活性位点的离子液体二乙烯三胺-3-羟基吡啶盐（[DETA][3HPyr]），与有机溶剂二乙二醇丁醚（DEME）复配制备了两相溶剂。在最佳吸收条件下，其负荷可达2.67 mol·kg⁻¹，富相黏度仅有28.1 mPa·s，富相体积仅有吸收剂总体积的36.3%。这优于多数已报道的研究，成功突破了“权衡”效应。¹³C NMR分析发现，吸收产物中含有氨基甲酸，这有助于吸收负荷的提高；同时氨基甲酸基团为电中性，可以降低离子间相互作用，有助于降低黏度。DFT计算发现，两性离子的质子转移反应是吸收过程的限速步骤，氨基甲酸酯可以自发地作为质子受体以促进氨基甲酸的形成；同时由于DGME的烷-氧交替结构，阳离子与DGME可以形成氢键二聚体，其间的氢键作用是氨基甲酸在碱性吸收剂环境中保持稳定的原因。进一步计算发现，离子液体两相吸收剂的相变机理是高极性多价阳离子的生成以及离子间电荷分布不均所导致的水-离子聚集，这与有机胺两相吸收剂不同。该相变溶剂的反应焓仅有−37.27 kJ·mol⁻¹，再生能耗低至1.387 GJ·t⁻¹。本研究完善了CO₂的吸收机理，为相变吸收溶剂的设计与制备提供了新的研究视角。

图3. 离子液体两相吸收剂相变机理计算

本研究得到了国家重点研发计划(No. 2018YFB0604302-03)、北京新林环境科技有限公司(No. 2019-HXFW-HJ-0008)以及华北电力大学高层次人才引进与培养项目（XM2412302）的资助。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724034788?via=ihub