科学研究

王宗华:利用氢键调控低共熔溶剂的碳捕集性能【ChemComm,2022】
2022-07-26 阅读:3758

随着全球工业化进程的加快和人口的增长,人为的CO2排放量急剧增加,引发气候变化危机。碳捕集技术有助于控制CO2排放,是应对气候变化努力的重要组成部分。基于醇胺水溶液的碳捕集过程是当前工业上应用最多的碳捕集技术。然而,此种方法存在吸收剂挥发性强、再生能耗高等不足。因此,研究和开发高效的碳捕集技术仍具有重要的意义,有助于“双碳”目标的实现。近年来,低共熔溶剂 (deep eutectic solvents, DESs)由于其独特的物理化学性质已在碳捕集领域引起了人们的广泛关注,以低共熔溶剂作为碳捕集材料的研究工作也已取得了重要进展。但是,如何定向设计高性能的低共熔溶剂用于碳捕集,仍是亟需解决的一项重要难题。

针对上述问题,我校数理学院化学系硕士研究生王宗华在导师杨德重副教授的指导下,结合课题组的相关工作(Chem. Commun., 2022, 58,2160-2163Chem. Commun. 2019, 55, 1426-1429等),与我校数理学院教师吴从意和昆明理工大学的张少泽博士合作,根据物质的pKa值,设计合成了一系列基于四乙基铵三氮唑盐 ([Et4N][Tz]) 的阴离子功能化低共熔溶剂用于捕集CO2,取得了以下主要新认识:

1)氢键供体和阴离子共轭酸两者pKa的差值ΔpKaΔpKa= pKa[氢键供体] - pKa[阴离子共轭酸])对溶剂体系内的分子间氢键强度有着重要影响;1,2,3-三氮唑(TzpKa= 9.3)与[Tz]-阴离子之间(ΔpKa= 0)的氢键强度要远强于乙二醇(EGpKa=15.1)与[Tz]-之间(ΔpKa= 5.8)的氢键强度。

2)通过调节ΔpKa和体系组分的浓度,改变了氢键供体与阴离子所形成的氢键的强度,进而可以调控溶剂的碳捕集行为,实现从物理吸收到化学捕集的转变。例如,[Et4N][Tz]:Tz (1:2,摩尔比)EG都不与CO2发生化学反应,但是两者形成的三元体系[Et4N][Tz]:Tz :EG(1:2:2)却对CO2表现出了化学捕集能力,呈现出“无中生有”的现象。

3)通过调节氢键强度,也可以实现对溶剂再生性能的调控。例如,[Et4N][Tz]:Tz :EG(1:2:2)的再生温度为30℃,低于[Et4N][Tz]:EG(1:2)的再生温度(60℃),并且要远低于工业上醇胺水溶液的再生温度(~120℃)。


1. 1.0 atm和25℃时,[Et4N][Tz]-Tz[Et4N][Tz]-EG[Et4N][Tz]-Tz-EG CO2的捕集量随时间的变化。

 

 

2. (a)[Et4N][Tz]:EG (1:2) 的捕集CO2前后的FTIR谱;(b) DESs [Et4N][Tz]:Tz:EG (1:2:2) 的捕集CO2前后的FTIR谱;(c) [Et4N][Tz]的环丁砜(Sulf)溶液(30 wt %)捕集CO2前后的FTIR谱;(d) [Et4N][Tz]:Tz (1:2) 捕集CO2前后的FTIR谱。

 

上述成果发表在化学著名期刊《Chemical Communications》上:Zonghua Wang, Congyi Wu, Ze Wang, Shaoze Zhang*, Dezhong Yang*, CO2 capture by 1,2,3-triazole-based deep eutectic solvents: the unexpected role of hydrogen bonds, Chemical Communications, 2022,58, 7376-7379。同时,该工作入选Chemical Communications 的热点论文集(Chemical Communications HOT Articles 2022),并且英国皇家化学会(RSC)官方微信号也对该工作进行了推送报道(报道链接:https://mp.weixin.qq.com/s/QNv4FtK8T3ZJY4l6GKupdg)。

全文链接:https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/cc/d2cc02503e