离子热合成介孔聚离子液体及在常压低温下CO2捕集和转化中的高效应用

It is very attractive if CO2 and epoxide can be converted into cyclic carbonates at ambient pressure and low temperature, but still remains a huge challenge, especially for metal-solvent-additive free recyclable heterogeneous cycloaddition of CO2 at such mild conditions, which has never been reported to date. Based on the already obtained results, this project designs and prepares mesoporous poly(ionic liquid)s (MPILs) with large surface area and high ionic site densities ionothermally synthesized through the free radical polymerization of the new designed vinylimidazolium IL monomers, aiming to highly efficiently cycloaddition of CO2 without metal-solvent-additive at ambient pressure and low temperature. In addition, the project fabricates a more environmental-friendly solid catalyst based on halogen-free MPILs for efficient CO2 conversion. MPILs design and preparation, composition and structure, physical and chemical properties, and catalytic activities and stability, will be studied. Together with catalyst characterizations, influences of catalytic performances by key parameters will be elucidated, such as ionic site densities, mesoporous structure, CO2 adsorption capacity, and catalytic active sites, based on which structure-activity relationship is discussed. This study will provide a new route and scientific foundation for establishing green heterogeneous catalytic materials of highly effective capture and convert CO2 to high-value organic chemical products at atmospheric pressure and low temperature.

常压低温下将CO2与环氧化合物转化为环状碳酸酯是非常吸引人的，但同时存在巨大挑战。不加入任何溶剂和助催化剂的非金属多相催化体系下的常压低温CO2环加成反应更为理想，遗憾的是至今未见报道。基于前期进展，本项目针对无溶剂-无助剂（甚至无卤素）催化体系下常压低温CO2环加成这一目标反应，设计合成出新型的刚性乙烯基咪唑型离子液体聚合单体，通过离子热方法自由基自聚合制备高比表面积-丰富离子位介孔聚离子液体，旨在实现高效非金属多相催化剂的制备。重点研究介孔聚离子液体的设计和制备，化学组成结构和物化性质，以及催化活性和稳定性；系统分析和深入认识介孔聚离子液体的离子位密度、孔隙结构、CO2吸附性能、催化活性位点对催化性能的影响规律，揭示催化体系的构效关系，为形成常压低温下CO2化学转化为高附加值有机化工产品的高效绿色多相催化剂提供新途径和科学基础。

常压低温下将CO2与环氧化合物转化为环状碳酸酯是非常吸引人的，但同时存在巨大挑战。本研究以常压低温（甚至常温）下CO2环加成反应多相催化体系的构建为研究对象，设计制备一系列多孔催化材料，包括介孔聚离子液体、离子液体负载的SiO2材料、Zn负载的超交联多孔聚合物、NHC-CO2功能化的两性离子共聚物等。重点研究催化剂的化学组成结构和物化性质，以及催化活性和稳定性。利用多种表征系统对催化剂的活性中心密度、孔隙结构、CO2吸附性能、催化活性位点与催化性能的影响规律进行深入的分析和认识，揭示催化体系的构效关系，为形成常压低温下CO2化学转化为高附加值有机化工产品的高效绿色多相催化剂提供了新途径和科学基础。取得主要结果如下：.（1）聚乙二醇为溶剂制备的高比表面积无官能团介孔聚离子液体实现常压低温（1 atm, 120 °C）下CO2环加成反应。该结果为多孔聚离子液体的低成本制备提供新线索。（2）为实现介孔聚离子液体催化活性提升，通过离子热方法首次制备出高比表面积-丰富离子位和羟基官能团的介孔聚离子液体，其在常压低温下（1 atm, 90 °C）CO2环加成反应中表现出优异性能。（3）为进一步提高基于离子液体的多相催化剂的活性，拓展离子液体多相化及多孔化思路，以便捷的方法制备出一类高离子液体负载量、高比表面积的介孔SiO2材料用于CO2环加成反应。该催化剂优异的活性归结于多孔的结构，丰富的离子位，以及Si-OH和阴离子间合适的空间距离。该结果为离子液体负载SiO2材料的制备提供新思路。（4）为实现常温常压下CO2的高效转化，制备出Zn负载的磺酸功能化超交联多孔聚合物。该催化剂优异活性归结于丰富的介孔-微孔结构和金属阳离子交换位、优异的CO2吸附性能以及磺酸官能团亲CO2性质。（5）针对CO2环加反应构建非卤素-非金属绿色多相催化体系，制备出高比表面积以及具有丰富NHC-CO2两性离子位点的多孔有机离子聚合物。该结果为NHC-CO2掺杂多孔材料的绿色制备提供新思路。