酰胺衍生基多功能材料结构调控及对CO2高效捕集/催化转化集成研究

CO2 is one of the main greenhouse effect gases, and has been attracting much attention as an abundant, inexpensive, nontoxic, and renewable C1 resource. For benefitting the eco-environment and developing new renewable energy, the realization of an efficient catalytic process for CO2 mitigation and transformation into value-added products is of great strategic significance. Based on catalytic mechanism of hydrogen bond, we develop the chain- and squaramide derivative-based multifunctional materials (ADMs), and study the performance for integration of CO2 capture and subsequent catalytic conversion into value-added energy products. The structure-activity relationships between ADMs and CO2 adsorption/conversion are established by structure regulation. And we simultaneously develop a new approach towards heterogenization of homogeneous catalysis. Discussing the influence rules of different reaction parameters on the catalytic activities to realize the integration of CO2 capture and subsequent CO2 conversion under mild and solvent-free conditions. The new catalytic reaction pathways of CO2 are investigated, which will provide new strategies for CO2 resource utilization. The bulk phase/or surface physico-chemical property changes of ADMs, and adsorption/avtivation behavior of ADMs to substrate and CO2 species in the microscopic reaction are monitored by in-situ analysis methods. Combining with the density functional theory, the energy information of reactants, intermediates, transition states and products are calculated. Moreover, a study of the catalytic kinetics are undertaken to afford thorough evidence for the interpretation of the reaction mechanism. The proposal will provide significant theoretical guidance for design of targeted catalysts.

CO2既是主要的温室气体，同时还是储量丰富、低廉、无毒、可再生的C1资源，实现CO2减排及资源化利用对改善生态环境、发展可再生新能源具有重大战略意义。基于氢键催化机理，设计合成系列链状及方酰胺衍生基多功能材料，应用于CO2吸附活化及原位催化转化，以合成高附加值能源产品。通过对合成材料的结构调控，建立对CO2吸附/催化转化性能之间的构效关系，同时提出一种均相催化剂多相化的新方法。探讨不同反应条件与催化活性之间的影响规律，以实现温和、无溶剂条件下对CO2高效吸附与催化转化的集成；拓宽CO2催化反应路径，为CO2资源化利用提供新策略。采用原位分析手段监测微观反应过程中催化剂表面物性变化，以及对反应底物和CO2的吸附、活化行为，结合密度泛函理论计算各反应物、中间体、过渡态及产物的能量变化，并建立催化反应动力学模型，对CO2活化及催化转化机制进行深入探讨，为靶向催化剂的设计提供重要理论指导。

CO2是一种主要的温室气体，也是来源丰富、价格低廉、无毒及可再生的C1资源，将CO2“变废为宝，高值化利用”，不仅可以实现CO2的固定，还可以获得高附加值精细化学品和大宗化工产品，以部分替代化石资源，满足可持续发展需求。然而，当前CO2选择性转化所报道的催化剂普遍存在活性低、稳定性差及不易循环利用等缺陷。本项目从CO2活化与转化机理出发，我们成功创制出系列方酰胺衍生基离子液体、新型质子离子液体、以及功能化周期性介孔有机硅催化剂，分别研究了所创制催化剂在CO2吸附活化及转化合成环状碳酸酯、喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮及其衍生物反应中的应用。研究了不同合成条件下催化剂的结构特性，系统考察了不同催化剂结构、反应工艺条件，如反应温度、CO2压力、催化剂用量及反应时间等因素对产品收率和选择性的影响规律；研究了催化剂的循环利用性能及对不同取代基反应底物的普适性；结合先进分析测试手段，深入研究了所创制催化剂对反应物的活化行为；在此基础上，提出了模型反应在新催化体系中可能的反应机理。通过对本项目的研究，实现了温和、无溶剂、无助催化剂条件下将CO2高选择性转化合成环状碳酸酯，产品收率与选择性优异；实现了将模拟烟道气低浓度CO2吸收及“一锅法”转化合成喹唑啉-2,4(1H,3H)-二酮及其衍生物，产品收率高达95%，选择性≥99%；通过对催化剂结构的合理设计与调控，实现了均相催化剂的多相化。本项目研究所取得成果克服了当前催化体系存在的活性低、稳定性差且不易分离回用的弊端，为新型多功能催化材料的设计开发及应用提供了重要参考价值。在项目执行期，课题负责人以第一或通讯作者发表论文17篇，以第一发明人获得授权发明专利3件，培养研究生6人，圆满完成项目申请书规定的任务指标。