功能型离子液体固定CO2的相关基础研究
【摘要】：工业化引发能源消耗严重,尤其是钢铁行业,致使大气中CO2含量急剧增加。高炉生产过程中产生的高炉煤气具有发生量大、可燃成分少和热值低的缺点,其中CO2含量占20%左右。因此捕捉高炉煤气中的CO2具有一定的经济、环保价值。近年来,利用离子液体捕捉CO2的方法研究广泛。作为一类完全由离子构成的介质,离子液体具有与传统分子介质不同的内部结构。微观结构决定性质,对离子液体这种离子介质中各结构与相互作用的研究有助于了解其固定CO2机理。本文从合成离子液体出发,通过对其结构表征和物性测定,并采用量子化学计算和实验相结合的方法,研究了离子液体阴、阳离子间相互作用,并扩展到离子液体和CO2分子间的相互作用。通过一步合成法,制备出了DETA-HCOOH、TETA-HCOOH、TEPA-HCOOH、DETA-HL、TETA-HL、TEPA-HL 6种离子液体。对合成出的离子液体的结构进行了IR、1HNMR表征,对其溶解特性和热分解特性进行了测定。对其进行固定CO2的定性测定,初步分析其对CO2具备固定能力。并对固定着CO2的离子液体进行1HNMR分析,研究其固定产物结构,初步认定为该类离子液体中-NH2与CO2反应,生成近似-COOH的弱键结合方式。量子化学计算方法可减少实验筛选离子液体的盲目性,为设计开发新型捕捉CO2离子液体提供理论依据采用Gaussian计算软件,对合成的离子液体运用密度泛函方法(B3LYP/6-31G(d))进行结构优化结合色散方法(B2PLYPD)进行优化消除色散干扰,得到最优构型、频率和热力数据。从微观角度分析DETA-HCOOH、TETA-HCOOH、TEPA-HCOOH、DETA-HL、TETA-HL、TEPA-HL的稳定构型,计算结果表明,离子液体阴、阳离子间主要靠库仑力与氢键共同作用维持结构稳定。固定CO2的反应为放热反应,这与本实验的现象一致。对6种离子液体与CO2分子间的相互作用进行了计算。通过计算DETA-HCOOH、DETA-HL不同胺基位置固定CO2的分子构型,得出稳定分子构型以及热力学数据。计算表明,离子液体末端胺基优先固定CO2。并且CO2与离子液体结合方式为似-COOH弱键,与实验中核磁共振氢谱分析结果一致。在此基础上,HCOOH系列离子液体和HL系列离子液体为研究对象,计算并比较了相同胺基位置和不同的胺基数的离子液体对固定CO2热力学函数。得出胺基数小的DETA-HCOOH、DETA-HL对CO2固定反应容易进行。
【关键词】：离子液体 量子化学计算 密度泛函 CO2
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X757;O645.1
