發(fā)布時間：2021-10-23 11:27

　　本文對近年來離子液體（ILs）吸收氧氣（O₂）及其在分離、活化O₂方面的研究進展進行了系統(tǒng)地論述.首先,概述了常規(guī)ILs、Co（Ⅱ）螯合型ILs和ILs支撐液膜（SILMs）吸收分離O₂的研究工作,并著重討論了陰離子種類和體積大小、陽離子種類和烷基取代基碳鏈長度等內(nèi)在因素以及溫度和壓力等外在因素對ILs吸收O₂性能的影響.其次,比較了ILs吸收O₂、二氧化碳（CO₂）和氮氣（N₂）等氣體的性能差異,并結合■和■等熱力學性質(zhì)對此差異進行了深入分析.最后,重點論述了ILs活化O₂的機理及其在金屬-O₂電池和一鍋氧化級聯(lián)催化反應中的應用,并對ILs吸收、分離和活化O₂領域的后續(xù)研究提出了展望與建議. 

【文章來源】：中國科學:化學. 2020,50(04)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：13 頁

【部分圖文】：

陽離子對O2溶解能力的影響(T=323.2 K)[76～78]

用于吸收O2的ILs結構

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的摩爾比合成了Co(II)螯合型IL([Co2(HisCH3)4Im][Tf2N]4)用于吸收O2.實驗結果表明,[Co2(HisCH3)4Im][Tf2N]4在298 K和0.9 bar時的吸收O2容量為0.2378 mol O2·(mol IL)–1,與323.2 K和1.0 bar時O2在[Bmim][PF6]中的溶解度(4.8×10–4mol O2·(mol IL)–1)相比約提高了495.4倍,Kohno等[91]將高吸收容量歸因于Co(II)與O2的化學相互作用,但并未采用紅外吸收光譜(IR)和核磁共振氫譜(1H NMR)等譜學手段進行證明.上述結果引起了研究者的重視,Zheng等[92]合成了11種新型ILs(結構見圖1)用于化學吸收O2.其中,當298.2 K和1.0 bar時,[P2225]2[NmGly][Tf2N][Co(salen)]吸收O2容量為0.2092 mol O2·(mol IL)–1(6.24 mg O2·(g IL)–1),高于其余10種Co(II)螯合型ILs的吸收容量(表3).從表3可以看出,當陰離子相同時,減小陽離子的烷基取代基碳鏈長度有利于ILs吸收O2;陽離子相同時,陰離子種類與ILs吸收O2的性能緊密相關.為進一步考察陰離子種類對吸收性能的影響,Matsuoka等[93]設計了[P66614]2-[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly][Tf2N][Co-(salen)]來化學吸收O2.結果表明,當303.2 K和1.0 bar時,[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly]-[Tf2N][Co(salen)]的吸收容量分別為1.0269 mol O2·(mol IL)–1和0.4881 mol O2·(mol IL)–1,二者比值約為2:1.為此,Matsuoka等[93]提出了[P66614]2[NmGly]2[Co-(salen)]和[P66614]2[NmGly][Tf2N][Co(salen)]吸收O2的機理,如圖4所示.相關研究表明,配體與Co(salen)的配位強度隨配體供體數(shù)(DN)增加而增加,故O2、[P66614][NmGly]以及[P66614][Tf2N]與Co(salen)的配位強度大小順序為:O2>[P66614][NmGly]>[P66614][Tf2N][94].從圖4可知,[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]、[P66614]2[NmGly][Tf2N]-[Co(salen)]與O2分別以1:1、2:1的摩爾比結合,具體過程如下:(a1)、(b1)為ILs的自身解離,由于[P66614]-[NmGly]、[P66614][Tf2N]與Co(salen)的配位強度存在差異,所以[P66614]2[NmGly][Tf2N][Co(salen)]易于解離,而[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]卻不易解離;(a2)、(b2)為ILs吸收O2的過程,O2與Co(salen)的配位強度大于[P66614][NmGly]和[P66614][Tf2N],故(a2)與(b2)均容易進行;(a3)、(b3)為ILs吸收O2的終止過程,由于[P66614]2-[NmGly]2[Co(salen)]難以自身解離,故(a3)幾乎不發(fā)生,導致ILs吸收O2的反應停留在(a2)過程,而[P66614]2-[NmGly][Tf2N][Co(salen)]易于解離,故(b3)易于進行.因此,[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly]-[Tf2N][Co(salen)]吸收O2容量的比值約為2:1.在此基礎上,Matsuoka等[94]還進一步探究了ILs結構對[P66614]2[NmGly]2[Co(salen)]和[P66614]2[NmGly][Tf2N]-[Co(salen)]吸收O2速率的影響.結果表明,ILs的黏度隨著ILs分子間的氫鍵強度和陽離子的烷基取代基碳鏈長度增加而增加,這不利于O2傳質(zhì)并降低了ILs吸收O2的速率.

【參考文獻】：
期刊論文
[1]離子液體吸收分離一氧化碳的研究進展[J]. 劉佳佳,付雪,許映杰.  化工學報. 2020(01)
[2]離子液體捕集二氧化硫氣體的研究進展[J]. 崔國凱,趙寧,張峰濤,王鍵吉.  科學通報. 2016(Z2)



本文編號：3453105