综述：从溶解机制到可扩展解决方案：用于二氧化碳捕集的离子液体的发展前景

CO?捕获技术中离子液体（ILs）因其高热稳定性、低挥发性及可分子设计性成为新兴研究方向。本文系统综述了ILs的CO?物理吸收机制（范德华力、四极矩作用）与化学吸收（TSILs含功能基团），分析结构参数（阴离子类型、阳离子烷基链长度）对溶解度、粘度及选择性的影响，并探讨了IL@MOFs、SILMs等混合系统提升性能的策略。研究指出ILs在选择性（CO?/N?达50-70）和再生能效（2.5-3.0 GJ/t CO?）上优于传统胺类溶剂，但面临合成成本高（20-100美元/千克）、生物降解性不足及工业规模化应用瓶颈。建议通过生物基IL设计、模块化工艺整合及机器学习辅助筛选加速产业化进程。

　　
### 中文解读：离子液体在二氧化碳捕获技术中的进展、挑战与未来方向

#### 1. **研究背景与核心问题**
全球76%的温室气体排放源于二氧化碳（CO?），其中化石燃料燃烧、工业生产（如水泥、钢铁）和森林砍伐是主要贡献者。传统CO?捕获技术（如胺吸收）面临高能耗、溶剂降解和毒性问题。离子液体（ILs）因其可设计性、低挥发性、高热稳定性等特性，成为下一代CO?捕获技术的研究热点。本文系统分析了ILs在CO?捕获中的机理、性能优化策略及产业化瓶颈。

#### 2. **ILs的CO?捕获机制**
ILs通过两种机制捕获CO?：
- **物理吸收**：CO?与IL中的极性基团（如四氟硼酸根[BF?]?、磺酰咪唑负离子[NTf?]?）通过范德华力、偶极-四极相互作用结合。例如，[BMIM][NTf?]在10-20 bar、298 K下溶解度达0.3-0.4 mol/mol IL。
- **化学吸收**：通过功能化IL（如含氨基的TSILs）与CO?形成稳定化合物（如碳酸甲酯）。化学吸收容量可达2 mol/mol，但再生能耗较高。

#### 3. **关键性能参数与优化策略**
- **溶解度影响因素**：
- **阴离子**：弱配位阴离子（如[NTf?]?、[BF?]?）因扩大自由体积和增强极性作用，显著提升CO?溶解度。例如，[EMIM][Tf?N]的CO?/N?选择性达70:1，远超传统溶剂（Selexol为10-20）。
- **阳离子**：大体积、不对称阳离子（如胆碱类、醚改性咪唑）降低离子堆积密度，增大自由空间。例如，[OMIM][BF?]因甲基醚链的引入，黏度降低50%，同时保持较高溶解度。
- **黏度与扩散性**：ILs黏度通常为100-300 mPa·s，远高于水（0.89 mPa·s），但通过添加共溶剂（如乙二醇）或构建复合材料（如IL@MOFs）可降低黏度并提升传质效率。例如，[BMIM][NTf?]与乙二醇混合后，CO?扩散速率提高30%。
- **再生能耗**：物理吸收IL（如[BMIM][BF?]）再生能耗为2.5-3.0 GJ/t CO?，显著低于胺类溶剂（3.5-4.5 GJ/t）。化学吸收IL需高温再生（>80°C），但可通过红ox活性IL（如醌类基IL）实现电化学再生，能耗降低50%。

#### 4. **环境与经济可行性分析**
- **毒性问题**：传统IL（如含长链烷基的咪唑类）对水生生物毒性高（如细胞膜破坏）。改进策略包括：
- 使用生物降解阴离子（如柠檬酸根、乳酸根）和短链阳离子（C1-C4烷基取代）。
- 开发zwitterionic IL（如胆碱-柠檬酸盐体系），其生物降解率超60%，且对鱼类LC50（半数致死浓度）>10 mg/L。
- **经济性**：
- **合成成本**：实验室级IL成本20-100美元/kg，而传统胺类仅1-2美元/kg。但连续流合成技术可将IL成本降至5美元/kg以下。
- **全生命周期成本**：IL因稳定性高（可循环>1000次），长期运营成本低于胺类。例如，[EMIM][NTf?]在60°C下仍保持稳定，减少溶剂更换频率。
- ** techno-economic对比**：
| 技术 | 再生能耗 (GJ/t CO?) | 成本 (美元/吨) | 环境风险 |
|--------------|---------------------|----------------|----------------|
| 胺类溶剂 | 3.5-4.5 | 60-100 | 高（挥发、降解） |
| IL物理吸收 | 2.5-3.0 | 50-150 | 低（非挥发性） |
| IL化学吸收 | 4.0-5.0 | 100-300 | 中（功能基降解） |

#### 5. **实验筛选与表征技术**
- **表征方法**：
- **黏度与密度**：旋转流变仪（黏度）和超声密度计（密度）用于优化IL结构。例如，[EMIM][BF?]密度1.28 g/cm3，与CO?溶解度呈负相关。
- **热稳定性**：TGA测试显示，[NTf?]?基IL的热分解温度（T onset）达398°C，优于[PF?]?基IL（354°C）。
- **光谱分析**：FTIR检测CO?在IL中的物理吸附（2340-2350 cm?1特征峰），NMR验证化学键合（如碳酸甲酯的C=O伸缩振动）。
- **筛选流程**：
1. **分子设计**：基于阴离子-阳离子协同效应，筛选高溶解度IL（如[BMIM][NTf?]在20 bar下溶解度0.4 mol/mol）。
2. **性能评估**：通过 gravimetric microbalance和压力衰减法测定CO?平衡浓度，结合黏度、热稳定性等参数综合评分。

#### 6. **工业应用场景与挑战**
- **场景1：燃煤电厂（后燃烧）**
- **需求**：处理含10-20% CO?、高湿度（>50%）的气体。
- **IL方案**：采用zwitterionic IL（如胆碱-柠檬酸盐）搭配膜接触器，选择性>60，再生能耗<3 GJ/t。
- **挑战**：SOx/NOx腐蚀IL结构，需添加抗氧化添加剂（如膦酸酯基团）。

- **场景2：煤气化（预燃烧）**
- **需求**：高压（>20 bar）、高温（>150°C）下捕获CO?。
- **IL方案**：红ox活性IL（如醌类-NTf?）通过电化学调控再生，能耗降低至2 GJ/t。
- **挑战**：H?S等酸性杂质导致IL降解，需开发疏水IL（如磷铪盐基）。

- **场景3：直接空气捕获（DAC）**
- **需求**：低浓度（<1000 ppm）、高选择性（>90）。
- **IL方案**：IL@MOF复合材料（如[BMIM][NTf?]/MOF-801）结合物理吸附（高容量）与化学吸附（高选择性）。
- **挑战**：大气流速低（<1 m/s），需强化传质（如旋转接触器）。

#### 7. **未来研究方向**
1. **低成本合成**：开发生物基IL（如糖醇酸酯）和连续流合成工艺，目标成本<5美元/kg。
2. **绿色IL设计**：
- 使用非氟化阴离子（如[SCN]?、[PF?]?替代品）降低环境风险。
- 开发光/热响应型IL，实现可控再生（如光催化分解CO?-IL复合物）。
3. **过程集成**：
- IL与MOFs/PILs复合，提升比表面积（>1000 m2/g）和循环稳定性（>500次）。
- 开发模块化IL膜（SILMs），用于高渗透率气膜分离（CO?/N?选择性>80）。

#### 8. **结论**
ILs在CO?捕获中展现出物理吸收高选择性和化学吸收高容量的双重优势，其低挥发性（<10?? atm）和长寿命（>1000次循环）显著优于传统胺类。然而，高合成成本（需突破$20/kg）、工业级黏度（>100 mPa·s）和毒性问题仍是主要瓶颈。未来需结合机器学习筛选IL（如通过生成对抗网络预测最优结构）和规模化生产（如连续流合成），同时发展IL再生催化剂（如金属有机框架MOFs）以降低能耗。 ILs有望在2030年后实现吨CO?成本<100美元，成为碳中和关键技术之一。