离子液体聚合物捕集二氧化碳机理的分子模拟研究

本项目采用分子模拟方法研究二氧化碳在离子液体聚合物中的溶解，力图在分子层次上探明二氧化碳溶解的微观机理；在此基础上研究电厂气（CO2/N2混合气体）在离子液体聚合物膜中的扩散机制，探索分子结构与分离性能之间的关系。首先构筑能正确描述动力学性质的离子液体及其聚合物的分子力场，然后通过对比单体和聚合物吸收二氧化碳后的微观形态，研究不同离子液体单体聚合后对二氧化碳吸收的影响，包括阴离子类型、咪唑环上烷基链长短，以及主链上咪唑环之间的碳原子间隔，以期找出决定二氧化碳吸收的主要因素，如静电/范德华力/自由体积等。研究二氧化碳在离子液体聚合物表面吸附和扩散的模拟，计算二氧化碳穿过界面时自由能的变化。并用非平衡动力学模拟初步研究二氧化碳及其混合气体在离子液体聚合物膜中的扩散，计算扩散通量和选择性。

新世纪以来人类面临气候变化的重大挑战，而高效低耗地捕集和利用二氧化碳，是实现“碳中性”社会的重要技术之一。离子液体的“可设计性”为其应用提供了巨大的可能性，而建立分子结构与物性及功能之间的关系是完成这种设计的关键。本项目基于以上背景结合不同尺度上的多种方法，探讨离子液体在二氧化碳捕集领域的应用。主要成果有：1）完善了一种建构离子液体体系分子力场的系统方法，能够最大限度地利用现有的力场参数和模拟软件，对关键的原子电荷以及部分范德华参数适当优化，从而非常有效地预测离子液体体系的密度、饱和蒸发焓等热力学和自扩散系数、粘度等输运性质。同时也探讨了其局限性：没有显性地考虑极化效应导致低估了短程的相互作用能。2）研究了用Gibbs系综Monte Carlo（GEMC）模拟二氧化碳-离子液体体系相平衡时的诸多技术细节，提出一种优化的模拟过程能够较快达到热力学平衡状态。模拟结果与现有实验数据符合良好，发现二氧化碳的物理溶解度主要受阴阳离子的大小和拓扑结构影响。3）以水为例研究了小分子在离子液体中的扩散行为，发现其随水浓度的增加呈现三个不同阶段，用水分子周围其他原子的空间分布函数能够从结构上认知其扩散行为的演化。4）模拟了离子液体在碳纳米管表面的微观结构，发现阴阳离子形成非常有序的层级结构，而且与纤维素类的亲水表面有极大差异，即阳离子较阴离子更靠近界面。此外本项目还初步探讨了金-钯金属团簇在离子液体中参与二氧化碳电催化的机理，尝试了强化离子液体吸收二氧化碳传质的旋转床工艺。执行期间培养博士生3名，硕士生4名，发表论文4篇，在审论文2篇，受邀在2次国际会议和1次国内会议上做口头报告。