作者简介

王睿 教授

山东大学

山东大学环境学院教授、博士生导师。英国皇家化学会会士 (FRSC)，教育部新世纪优秀人才，英国利物浦大学高级研究学者暨客座教授 (2002、2012、2023)。主要从事环境领域三废治理研究。

文章导读

功能化离子液体 (FILs)，以其独特的化学功能团赋予的特定理化性质，为气体污染物的捕捉与分离提供了新颖且高效的资源化策略。鉴于空气污染加剧及原生资源日益匮乏的双重挑战，该方法在缓解环境压力与促进资源循环利用方面展现出巨大潜力。

山东大学王睿教授团队在 Molecules 期刊发表了文章“Treatment and Resource Utilization of Gaseous Pollutants in Functionalized Ionic Liquids”，文章详尽阐述了功能化离子液体的合成方法与表征技术，深入剖析了其在气体污染物处理与资源化利用中的具体应用实例，全面评估了各类应用方法的优势与局限性。同时，文章还前瞻性地展望了功能化离子液体在该领域的未来发展趋势，旨在为气体污染物的有效治理与资源循环转化领域开辟新的研究视角与技术途径。

主要内容

1.CO₂的治理与资源化

功能化离子液体，尤其是氨基功能化离子液体，因其与CO₂的化学结合 (形成C-N键) 展现出较高的CO₂溶解度。并且，其在催化CO₂转化碳酸酯中表现优异，通过结构优化和与其他材料结合可进一步提升催化效率。然而，高粘度限制了其应用。研究者通过固定化、引入分子内氢键、混合低粘度溶剂等方法降低粘度，但面临实验复杂、反应速率慢、溶剂挥发等问题。相比之下，醚基功能化离子液体因其低粘度和高生物降解性成为潜在替代品。

图1. CO₂的吸收过程

表1. 不同催化剂的催化性能

2.H₂S的治理与资源化

氨基功能化离子液体主要通过氢键机制捕获H₂S，但面临吸收容量和粘度问题。研究者通过设计新型离子液体 (如引入叔氨基、羟基、羧基及金属基团) 及复合体系来提高H₂S吸收能力和选择性，并探索了离子液体在H₂S资源化中的应用，如将H₂S催化转化为硫醇或氧化为硫单质。尽管已有一定进展，但多数方法仍受制备复杂、成本高、稳定性及反应条件控制等挑战限制，未来需进一步优化离子液体结构与性能，以提升H₂S捕获、分离及资源化效率。

图2. H₂S转化机理

3.SO₂的治理与资源化

酸性氧化物SO₂能被具有碱性特性的功能化离子液体有效吸收，尤其是引入叔氨基、醚基、卤素、氰基等官能团的离子液体显著提升了吸收能力，同时阴离子碱度、氢键作用及离子间相互作用也会对吸收性能产生影响。此外，利用功能化离子液体促进Claus反应及直接转化为环状亚硫酸酯等策略可以实现SO₂的资源化，但是其存在的高粘度等挑战仍待解决，所以功能化离子液体催化剂的研究尚需深入发展。

图3. 液相克劳斯反应对SO₂的再生和吸收过程

4.NH₃的治理与资源化

引入羟基至离子液体中是目前主流吸收NH₃策略，因其与NH₃形成强氢键，并且增强氢键作用可提高溶解度，例如三唑基阳离子功能化液体 (TCFILs) 显著提升了NH₃吸收能力。此外，含质子及Lewis酸性点位的离子液体也展现了极高的NH₃吸附容量和良好循环性，但其合成技术复杂，需克服挑战以实现工业应用。

5.VOCs的治理与资源化

功能化离子液体去除VOCs策略类似去除CO₂，即通过酯化回收VOCs。使用长链酸功能化离子液体催化硫醇基化，产率高但存在副反应风险。而利用羟基功能化离子液体可在温和条件下将CO₂与甲醇合成DMC，则可以实现经济高效的资源化利用。此外，生物基离子液体能同时吸收亲水及疏水性VOCs，具有高吸附稳定性、可再生性、可降解性及低毒性，为绿色高效回收VOCs提供了新途径，但需优化其合成及生产成本以扩大应用。

图4. DMC的合成机理

文章总结

功能化离子液体既可以作为高效的吸收剂，捕获气体污染物，进而实现污染物的回收和再利用，也能作为化学反应的媒介或催化剂，参与化学反应过程，实现废物的资源化转化。并且，在吸收气体污染物的过程中，功能化离子液体避免了有害副产物的生成，这符合绿色化学的基本原则，显示出其对环境友好的特性。

然而功能化离子液体仍存在若干技术挑战和限制。FILs的合成过程往往复杂，需要特定的反应条件和催化剂，并且由于FILs的化学和结构特性，再生过程可能并不总是有效的。虽然离子液体被认为是环境友好型溶剂，但其低毒性仍存在争议。目前，离子液体主要用于实验室研究和特定领域的应用，传统吸收剂在大规模工业生产中仍占主导地位。为了促进离子液体在气体污染物去除中的广泛应用，必须解决上述关键问题，提高离子液体的综合性能。

原文出自 Molecules 期刊：https://www.mdpi.com/1420-3049/29/14/3279

进入期刊英文主页：https://www.mdpi.com/journal/molecules

Molecules 期刊介绍

主编：Thomas J. Schmidt, University of Münster, Germany

期刊发表化学各学科领域的基础、应用以及交叉学科研究的原创性、首创性成果，主题涵盖有机化学、无机化学、药物化学、材料化学、分析化学、应用化学、天然产物化学、食品化学、物理化学、生物化学、计算与理论化学、光电化学、交叉化学、绿色化学等。目前已被SCIE (Web of Science)、Scopus、PubMed、MEDLINE、PMC、Reaxys、Embase、CaPlus/SciFinder等数据库收录。

2023 Impact Factor：4.2

2023 CiteScore：7.4

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Acceptance to Publication：2.8 Days