综述：有机胺及离子液体对二氧化碳的捕集利用研究进展

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由于近现代工业及相关领域的快速发展，二氧化碳排放引起的气候变化已经引起全球范围内的高度关注，二氧化碳的捕集和利用是解决问题的有效途径。传统的有机胺以及目前快速发展的离子液体在二氧化碳的捕集和利用中具有不同的优缺点，其中有机胺大多吸收速率高，解吸难，而离子液体解吸容易，但是成本高。针对二者的区别和联系以及近年来国内外的相关研究，清华大学徐建鸿教授与王运东教授等人合作在Green Chemical Engineering发表了题为“Recent advances in carbon dioxide capture and utilization with amines and ionic liquids”的综述，对有机胺和离子液体对二氧化碳的捕集、负载在膜上对二氧化碳分离纯化以及作为催化剂催化二氧化碳固定化反应等方面的工作进行了全面的总结。

Recent advances in carbon dioxide capture and utilization with amines and ionic liquids

Yuxin Wu^a, Jianhong Xu^a,*, Kathryn Mumford^b, Geoffrey W. Stevens^b, Weiyang Fei^a, Yundong Wang^a,*

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https://doi.org/10.1016/j.gce.2020.09.005

●图文导读 ●

全球气候变化主要是由于大气中温室气体浓度增加而导致气温上升的现象。二氧化碳捕获技术方面的研究受到了极大地关注。2000年以来，全球二氧化碳排放量以每年2.6%的速度增长，全球约60%的地区每年都面临创纪录的高温，控制和缓解二氧化碳排放十分紧迫。

传统的二氧化碳捕集技术包括溶剂吸收、膜分离、生物过程以及固体吸附等等。其中，有机胺化学吸收是最为成熟的吸收剂，已广泛应用在各种工业流程中。然而由于有机胺与二氧化碳发生几乎不可逆的化学反应，解吸过程非常困难，需要很高的能耗。离子液体由于大多数依靠物理作用吸附二氧化碳，同时稳定无毒难挥发，解吸能耗较低，已成为二氧化碳捕集利用的重要化合物。然而离子液体也有很多亟待解决的问题，例如高粘度、高成本等等。

图1. 常见的二氧化碳捕集技术

1. 有机胺在二氧化碳吸收中的应用

乙醇胺，二乙醇胺以及N-甲基二乙醇胺等是工业上最为常见的吸收剂，同时空间位阻胺也成为研究的热点。同时有机胺还可以作为吸收剂负载在多孔材料上，进一步增强吸收容量。常见的包括SBA-15, SBA-16, MCM-41等等。

2. 离子液体在二氧化碳捕集中的应用

传统的离子液体依靠空间结构对二氧化碳进行物理吸附，但是吸附容量比化学吸收的有机胺要小。因此近年来有学者提出设计离子液体的阴阳离子，使得离子液体本身能够与二氧化碳发生可逆反应，进一步增强吸收容量。还有将离子液体与有机胺混合，将离子液体聚合等等，均可以达到更好的吸收效果，例如降低粘度，引入功能集团等等。

图2. 氨基功能性离子液体用于二氧化碳的吸收

3. 有机胺和离子液体在膜分离上的应用

传统的膜具有一定的局限性，种类很少，而功能化的材料具有吸收容量大、选择性好以及成本低廉等优点。同时负载膜能够实现低浓度下二氧化碳的吸附分离，是常规溶剂吸收不具备的独特性能。同时膜还能够解决离子液体本身吸收容量不高的问题，将离子液体推向工业化。

图3. 膜吸收过程示意图

4. 离子液体在二氧化碳转化上的应用

在捕集到二氧化碳的基础上，如何利用二氧化碳成为进一步需要解决的问题。离子液体作为二氧化碳与环氧化物开环反应的重要催化剂，近些年来被大量报道。通常来讲，对二氧化碳的吸附容量高，有利于反应的进行。目前大量的工作集中在设计性能优良的离子液体用于开环反应的催化，同时还有学者通过过程强化加快反应的动力学。

●总结与展望 ●

有机胺和离子液体分别作为传统和新型的化合物应用于二氧化碳的捕集和利用中，在环境优化及绿色声场上具有巨大的潜力，如何寻求吸收和解吸，稳定性和吸收容量，成本及绿色生产中的平衡尤为重要，文中对目前实际存在的问题提出了一些看法：首先能够通过材料优化实现进一步的突破，过程强化也是能够进一步提升吸收效果的方法，目前快速发展的微通道技术就被大量应用在吸收、反应领域。同时，如何寻找到新的应用，获得一加一大于二的效果，也是今后研究中需要解决的问题。

通讯作者简介

 

徐建鸿，清华大学教授，博士生导师。国家自然科学基金委优秀青年科学基金获得者（2013），教育部“长江学者奖励计划”青年学者（2016）。2020入选“2020年度国家杰出青年科学基金建议资助项目申请人名单”，现为清华大学化学工程联合国家重点实验室固定成员，兼任Biomicrofluidics、GreenChE、《化工学报》等期刊编委/顾问编委，中国化工学会混合与搅拌专委会副秘书长和中国化工学会化工过程强化专委会青委会委员。

先后主持国家自然科学基金项目、重大国际合作项目和企业横向合作项目等20余项；在 AIChE J、Chem Eng Sci、Lab Chip、Adv Funct Mater、Small 等本领域重要期刊上共发表学术论文160余篇，在Web of Science（WOS）中被他引4000余次，H因子34（WOS）；获授权中国发明专利20件，多项研究成果实现工业应用转化。获2012年度国家技术发明二等奖（第5完成人）和2019年度中国化工学会科学技术奖基础研究成果一等奖（第1完成人）等国家/省部级科学技术奖8项；曾获全国优秀博士学位论文奖（2009）、中国石油和化学工业联合会“青年科技突出贡献奖”（2015）和“全国石油和化工行业优秀科技工作者”（2018）、中国化工学会 “侯德榜化工科技青年奖”（2014）、中国颗粒学会“青年颗粒学奖”（2016）和“赢创颗粒学创新奖”（2012）等荣誉；2012年入选英国皇家化学会首届Lab on a Chip新科学家（Lab on a Chip Emerging Investigator 2012），2017年入选美国化学会Ind Eng Chem Res首届“有影响力研究者”（2017 Class of Influential Researchers），2019年获科学中国人（2018）年度人物特别奖—杰出青年科学家奖。 

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Green Chemical Engineering（GreenChE）于2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”，以绿色化工为学科基础，注重学科交叉与绿色化工前沿问题，紧紧围绕低碳化、清洁化和节能化的发展要求。目前是对读者和作者双向免费的开源期刊。

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