基于TBAB的胺基与酸基深共晶溶剂对CO2吸收及热物理性能的实验评估

《C》：Experimental Evaluation of CO2 Absorption and Thermophysical Properties of TBAB-Based Deep Eutectic Solvents with Amine and Acid Donors Siddharth Atal, Sonam Sharma, Amit Kumar Gomey, Syed Saim Ali, Rakesh Kumar, Deepak Dwivedi and Bhupendra Pratap Singh

本文聚焦解决因化石燃料燃烧导致的CO2减排挑战。研究人员合成了两种以四丁基溴化铵（TBAB）为氢键受体的深共晶溶剂，分别以2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）和对甲苯磺酸（PTSA）为氢键供体，并系统评估了其CO2捕获性能。实验结果表明，TBAB-AMP体系展现出更高的CO2吸收容量和显著更低的粘度，归因于其有利的氢键相互作用、更佳的质量传递以及通过氨基甲酸酯形成增强的化学亲和力。该研究为开发高效、低能耗的CO2捕获替代溶剂提供了重要的实验依据。

　　

随着全球工业化进程的加速，化石燃料的持续使用向大气中排放了大量以二氧化碳（CO₂）为主的温室气体，加剧了全球变暖和气候变化，成为当今世界最紧迫的环境挑战之一。在众多减排策略中，碳捕获、利用与封存（CCUS）技术被视为关键的过渡方案。传统的CO₂捕集技术，如使用醇胺（如单乙醇胺MEA）溶液，虽广泛应用但存在挥发性高、设备腐蚀严重以及溶剂再生能耗巨大等固有缺陷。因此，开发新型、高效、低能耗且环境友好的CO₂吸收剂已成为该领域的核心研究课题。

近年来，深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）作为一种新兴的绿色溶剂，因其合成简单、成本低廉、挥发性低、可设计性强等优点，在气体分离领域展现出巨大潜力，被视为离子液体（Ionic Liquids, ILs）的有力替代品。DESs通常由氢键受体（如季铵盐）和氢键供体（如醇、胺、酸）通过氢键作用混合而成，其熔点显著低于任一单独组分。尽管已有大量研究探索了不同类型DESs的CO₂吸收性能，但对于特定功能化DESs（尤其是基于特定氢键供体）的CO₂吸收机理、热物理性质及其与性能的构效关系，仍需更深入的实验研究与系统评估。

在此背景下，由Siddharth Atal、Sonam Sharma、Amit Kumar Gomey、Syed Saim Ali、Rakesh Kumar、Deepak Dwivedi和Bhupendra Pratap Singh共同完成的研究，针对性地合成了两种基于四丁基溴化铵（Tetrabutylammonium Bromide, TBAB）的深共晶溶剂，并对其CO₂吸收性能和关键物性进行了全面实验评价。该研究旨在揭示不同氢键供体（胺基与酸基）对DESs结构、性质及CO₂捕获效率的影响规律，为设计和筛选高性能CO₂捕集溶剂提供重要的实验数据和理论见解。相关成果已发表在学术期刊《Carbon》上。

为开展此项研究，作者主要采用了以下几项关键技术方法：首先，通过简单的加热混合法合成了两种DESs，即TBAB与2-氨基-2-甲基-1-丙醇（AMP）以1:1摩尔比、TBAB与对甲苯磺酸（PTSA）以1:2摩尔比制备。其次，利用傅里叶变换红外光谱（FTIR）对合成的DESs进行结构表征，以确认氢键相互作用及相行为。第三，采用压力降法，在30°C、最高15 bar的压力下，使用SETARAM PCT-PRO设备精确测定了CO₂在DESs中的溶解度。第四，运用改良的Lydersen-Joback-Reid、Lee-Kesler和Haghbakhsh基团贡献法等理论方法估算了DESs及其组分的临界性质与热物理性质。最后，使用安东帕MCR 102e流变仪在30至50°C温度范围内测量了DESs的粘度。

研究结果

1. DESs的合成与FTIR表征

研究成功合成了TBAB-AMP (1:1) 和 TBAB-PTSA (1:2) 两种体系。FTIR光谱分析显示，TBAB-AMP体系通过氢键相互作用形成了真正的深共晶溶剂。而TBAB-PTSA体系则发生了质子转移，生成了离子盐。这一结构差异为后续性能对比提供了基础。

2. CO₂吸收性能

CO₂溶解度测量结果表明，在相近压力下（约14.7 bar），胺基功能化的TBAB-AMP体系对CO₂的吸收容量（0.194 mol CO₂/mol DES）显著高于酸基功能的TBAB-PTSA体系（0.079 mol CO₂/mol DES），前者约为后者的2.5倍。这证明了胺基官能团在增强CO₂化学亲和力方面的优势。

3. 热物理性质估算

通过基团贡献法估算了两种DESs的临界温度（T_c）、临界压力（P_c）和临界体积（V_c）等性质。这些热力学参数是理解和模拟DESs在工业过程中行为的重要基础数据。

4. 粘度测量

温度依赖的粘度测量显示，TBAB-AMP体系在30-50°C范围内的粘度（163至46 mPa·s）远低于TBAB-PTSA体系（536至155 mPa·s）。较低的粘度有利于质量传递，从而提升了CO₂的吸收动力学，这也是TBAB-AMP性能更优的关键因素之一。

结论与意义

本研究通过系统的实验评估，明确了胺基功能化深共晶溶剂TBAB-AMP在CO₂捕获应用中的显著优势。其优异的性能归因于多个因素的协同作用：一是胺基（-NH₂）与CO₂之间可形成氨基甲酸酯，增强了化学吸收能力；二是其更低的粘度促进了CO₂在溶剂中的传质扩散；三是稳定的氢键网络结构保障了溶剂体系的稳定性。相比之下，酸基供体PTSA形成的离子盐结构则不具备这些优势。

该研究的重要意义在于：首先，它从实验上验证了通过合理选择氢键供体（如使用胺基替代酸基）可以显著调控和提升DESs的CO₂捕集性能，为未来设计任务特异性DESs提供了明确的分子设计思路。其次，研究提供了TBAB-AMP体系详尽的CO₂溶解度、粘度及估算的热物理性质数据，这些基础数据对后续的过程模拟、经济性评估及工业化放大至关重要。最后，TBAB-AMP体系展现出低挥发性和低腐蚀性的潜力，相较于传统醇胺溶剂，有望降低设备损耗和溶剂补充成本，为开发更经济、更环保的下一代CO₂捕集技术奠定了坚实的科学基础。这项研究不仅加深了对DESs构效关系的理解，也推动了绿色溶剂在碳中和目标下的实际应用进程。