离子液体吸收氧气及其应用的研究进展

发布时间：2021-10-23 11:27

　　本文对近年来离子液体（ILs）吸收氧气（O₂）及其在分离、活化O₂方面的研究进展进行了系统地论述.首先,概述了常规ILs、Co（Ⅱ）螯合型ILs和ILs支撑液膜（SILMs）吸收分离O₂的研究工作,并着重讨论了阴离子种类和体积大小、阳离子种类和烷基取代基碳链长度等内在因素以及温度和压力等外在因素对ILs吸收O₂性能的影响.其次,比较了ILs吸收O₂、二氧化碳（CO₂）和氮气（N₂）等气体的性能差异,并结合■和■等热力学性质对此差异进行了深入分析.最后,重点论述了ILs活化O₂的机理及其在金属-O₂电池和一锅氧化级联催化反应中的应用,并对ILs吸收、分离和活化O₂领域的后续研究提出了展望与建议. 

【文章来源】：中国科学:化学. 2020,50(04)北大核心CSCD

【文章页数】：13 页

【部分图文】：

阳离子对O2溶解能力的影响(T=323.2 K)[76～78]

用于吸收O2的ILs结构

2015年,Kohno等[91]首次采用Co(II)(COO)2-(H2O)4、HisCH3(HCl)2和Im以1.0:2.1:4.0的摩尔比合成了Co(II)螯合型IL([Co2(HisCH3)4Im][Tf2N]4)用于吸收O2.实验结果表明,[Co2(HisCH3)4Im][Tf2N]4在298 K和0.9 bar时的吸收O2容量为0.2378 mol O2·(mol IL)–1,与323.2 K和1.0 bar时O2在[Bmim][PF6]中的溶解度(4.8×10–4mol O2·(mol IL)–1)相比约提高了495.4倍,Kohno等[91]将高吸收容量归因于Co(II)与O2的化学相互作用,但并未采用红外吸收光谱(IR)和核磁共振氢谱(1H NMR)等谱学手段进行证明.上述结果引起了研究者的重视,Zheng等[92]合成了11种新型ILs(结构见图1)用于化学吸收O2.其中,当298.2 K和1.0 bar时,[P2225]2[NmGly][Tf2N][Co(salen)]吸收O2容量为0.2092 mol O2·(mol IL)–1(6.24 mg O2·(g IL)–1),高于其余10种Co(II)螯合型ILs的吸收容量(表3).从表3可以看出,当阴离子相同时,减小阳离子的烷基取代基碳链长度有利于ILs吸收O2;阳离子相同时,阴离子种类与ILs吸收O2的性能紧密相关.为进一步考察阴离子种类对吸收性能的影响,Matsuoka等[93]设计了[P66614]2-[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly][Tf2N][Co-(salen)]来化学吸收O2.结果表明,当303.2 K和1.0 bar时,[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly]-[Tf2N][Co(salen)]的吸收容量分别为1.0269 mol O2·(mol IL)–1和0.4881 mol O2·(mol IL)–1,二者比值约为2:1.为此,Matsuoka等[93]提出了[P66614]2[NmGly]2[Co-(salen)]和[P66614]2[NmGly][Tf2N][Co(salen)]吸收O2的机理,如图4所示.相关研究表明,配体与Co(salen)的配位强度随配体供体数(DN)增加而增加,故O2、[P66614][NmGly]以及[P66614][Tf2N]与Co(salen)的配位强度大小顺序为:O2>[P66614][NmGly]>[P66614][Tf2N][94].从图4可知,[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]、[P66614]2[NmGly][Tf2N]-[Co(salen)]与O2分别以1:1、2:1的摩尔比结合,具体过程如下:(a1)、(b1)为ILs的自身解离,由于[P66614]-[NmGly]、[P66614][Tf2N]与Co(salen)的配位强度存在差异,所以[P66614]2[NmGly][Tf2N][Co(salen)]易于解离,而[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]却不易解离;(a2)、(b2)为ILs吸收O2的过程,O2与Co(salen)的配位强度大于[P66614][NmGly]和[P66614][Tf2N],故(a2)与(b2)均容易进行;(a3)、(b3)为ILs吸收O2的终止过程,由于[P66614]2-[NmGly]2[Co(salen)]难以自身解离,故(a3)几乎不发生,导致ILs吸收O2的反应停留在(a2)过程,而[P66614]2-[NmGly][Tf2N][Co(salen)]易于解离,故(b3)易于进行.因此,[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly]-[Tf2N][Co(salen)]吸收O2容量的比值约为2:1.在此基础上,Matsuoka等[94]还进一步探究了ILs结构对[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly][Tf2N]-[Co(salen)]吸收O2速率的影响.结果表明,ILs的黏度随着ILs分子间的氢键强度和阳离子的烷基取代基碳链长度增加而增加,这不利于O2传质并降低了ILs吸收O2的速率.

【参考文献】：
期刊论文
[1]离子液体吸收分离一氧化碳的研究进展[J]. 刘佳佳,付雪,许映杰.  化工学报. 2020(01)
[2]离子液体捕集二氧化硫气体的研究进展[J]. 崔国凯,赵宁,张峰涛,王键吉.  科学通报. 2016(Z2)



本文编号：3453105