离子液体二维网络结构的多尺度模拟及二阶非线性光谱表征

The development of ionic liquids industry needs the knowledge of ionic liquids. The two-dimensional network structure of ionic liquids is the basis and frontiers of the understanding of the nature of ionic liquids. Through multi-scale quantum chemistry, molecular dynamics simulation method and two order nonlinear spectral characterization of this project, the basic content, force of ionic liquids in gas-liquid surface and the solid-liquid interface of two kinds of 2D network structure ion distribution between the morphology, structure and control method of ionic liquid, breakthrough two dimensional network structure characteristics of the quantitative description and the dynamic changes of ion - interface induced by ion coupled two-dimensional network structure mechanism and stability conditions of two key scientific problems, forming methods and rules of quantitative structure regulation of ionic liquids in two-dimensional network, provide the scientific basis for the application of ionic liquids in the fields of chemical reaction and separation and electrochemical.

离子液体工业应用的发展亟需离子液体基本问题的认识飞跃，离子液体二维网络结构是离子液体科学本质认识的基础和前沿。本项目拟通过量子化学、分子动力学等多尺度模拟方法和二阶非线性光谱表征手段，研究离子液体在气液表面和固液界面两类二维网络结构内部离子间的基本作用力、分布形态、结构特征和调控方法等内容，突破离子液体二维网络结构特征的定量描述和动态变化规律，界面能诱导的离子-离子偶联二维网络结构的作用机制及稳定性条件等两个关键科学问题，形成气体、固体界面和外部条件对离子液体二维网络结构定量调控方法和规律，为离子液体在化工反应、分离和电化学等多领域应用提供科学基础。

本项目拟通过多尺度模拟方法和二阶非线性光谱表征手段研究离子液体二维网络结构的本质，突破离子液体二维网络结构特征的定量描述和动态变化规律，界面能诱导的离子-离子偶联二维网络结构的作用机制及稳定性条件等两个关键科学问题，形成对离子液体二维网络结构形成及调控的理论认识，为离子液体在化工过程的传递扩散提供科学基础。围绕离子液体与多孔碳界面，采用光谱和模拟计算的方法，建立了粗粒化模型，获得了界面微观结构和作用机制，具体研究进展和成果如下：1）开发了离子液体的粗粒化模型。我们除了采用常规的全原子和联合原子模拟，还进行了离子液体的粗粒化模拟方法开发。2）研究了离子液体电解液的构效关系。对浓缩型有机溶剂电解液、离子液体电解液溶剂化及动力学行为进行了研究。3）研究了离子液体与多孔碳材料的界面结构及反常离子性变化。建立了离子液体作为电解质和一系列具有不同纳米尺寸孔道的石墨烯结构，构建了石墨烯限域咪唑离子液体的分子动力学模型，揭示了界面导致阴阳离子解耦造成的离子性反常变化。4）研究了单层有序二维离子液体结构制备及CO2吸附机理。采用自组装技术实现石墨表面单层有序咪唑类二维离子液体结构制备，并获得了CO2吸附的理论模型。5）离子液体气液界面的和频振动光谱研究。在目前已有的振动态和频光谱装置的基础上，开发了具有检测340nm-440nm和550nm-1100nm波长范围，覆盖紫外、可见光、近红外波段功能的电子态和频振动光谱检测系统。结合分子动力学模拟的研究方法，获得了离子液体界面结构与分子取向等方面的定量信息。.项目执行期间，项目负责人入选中科院过程所过程优青，正式发表SCI论文16篇，申请专利4件，在2020年中国化工学会科技创新大会，2021年中国化学会年会和第七届亚太离子液体会议等国际国内会议上做邀请报告5次，曾获优秀口头报告奖；形成了一支充满活力、积极向上的离子液体界面研究的科研团队。