卟啉类离子液体的熔点及萃取Sr2+效率的理论研究

Porphyrin ionic liquids with high fluidity, high conductivity, as well as similar spectral properties to solid porphyrin have potential applications in many fields, such as solar cells, electrochemical cells, metal ion extraction and so on. Firstly, The geometries of the porphyrin Ionic Liquids, liquid porphyrin complexes are optimized by quantumn methods, and their melting point are calculated by microcanonical ensemble method, the scaled factor is available through the comparison with experimental values; Sencondly, a serial of room temperature porphyrin ionic liquids with asymmetric and symmetric structures are choosed and optimized by predicting their melting point. Finally, molecular dynamic are adopted to investigate the extraction behaviors of Sr2+ by porphyrin ionic liquids, common ionic liquid with liquid porphyrin as extractant and common ionic liquid with crown ether as extract, respectively, and the extraction capacity by porphyrin ionic liquid will be evalued. This project will give some insight into experimental synthesis of porphyrin ionic liquids, and also can provide some insight into some applications such as metal extraction, organic solar cell and electrochemical cell.

卟啉类离子液体因具有良好的流动性、高导电率、与固体卟啉类似的光学性质，在太阳能电池、电化学电池、金属离子萃取等领域有潜在的应用。本项目首先采用量子化学方法计算实验上已报导的卟啉类离子液体、液态卟啉的几何结构，并用微正则系综法计算它们的熔点，与实验值对比得到计算值与测量值之间的校正系数；其次设计系列对称的和不对称的卟啉类离子液体，预测它们的熔点，从理论上筛选出一些室温离子液体。最后采用分子动力学方法分别模拟卟啉类离子液体、以液态卟啉为萃取剂的普通离子液体及以冠醚为萃取剂的普通离子液体萃取Sr2+的效率，评价卟啉类离子液体萃取金属离子Sr2+性能的优劣。本项目预期为卟啉类离子液体的实验合成提供理论依据，为卟啉类离子液体在金属离子萃取、有机太阳能电池、电化学电池等领域的应用提供理论线索。

离子液体因其熔点低、不宜挥发、稳定性好、导电性好特点，被应用于化学化工的各个方面。熔点是离子液体非常重要的一个参数，在实验上测量一些离子液体的熔点成本较高且有些离子液体的熔点难以测定。从理论上建立一个合理预测离子液体熔点的方法，对于设计，合成离子液体具有非常重要的作用。最初，本项以建立预测卟啉类离子液体熔点的方法为目标，在实施过程中以液体卟啉为研究客体，计算量非常大，由于建立方法需要多次验证方法的正确性，于是我们调整了研究方案，最终建立了一种通用的离子液体熔点的预测方法,使用该方法对三种咪唑类离子液体的熔点成功模拟验证了此方法的正确性。. 本项目的重要成果是建立了一个以体系中原子的扩散系数分布来预测离子液体熔点的方法，该方法的优点是不依赖于体系的晶型，比较简单。我们知道，固体的流动性差，液体的流动性高，可以说液体原子的扩散快，而固体中原子的扩散较慢，基本固定在晶格附近，因此体系中原子扩散系数的分布可以反映出体系的所处的状态。项目通过分析原子扩散系数的分布，建立了模拟离子液体熔点的方法。该方法首先使用直接加热法判断处于固液交界处的原子扩散系数对数值（logDatom），然后再建立固液共存体系，在npt系综下模拟logDatom分布呈双峰，双峰面积相等且双峰值分别位于固液临界值两侧的温度，即为离子液体的熔点。使用该方法对三种咪唑离子液体的熔点进行了模拟，模拟值与实验值接近，误差6%以内。该方法能为离子液体的设计提供有益的帮助。