中国石油大学和山东农业工程学院–以氟化石墨烯为载体增强羟基吡啶基离子液体对CO2的吸附能力:密度泛函理论研究

石墨烯载体可以改善离子液体的性能，提高离子液体的CO₂捕获性能。文章采用密度泛函理论计算，评价了利用石墨烯作为载体材料提高羟基吡啶基离子液体(ILs)对CO₂吸附能力的可行性。结果表明，氮化硼共掺杂氟化石墨烯是一种很有前途的载体材料，它能够减弱阳离子和阴离子之间的相互作用，同时增强ILs阴离子中O和N的电荷，从而提高离子液体对CO₂的吸附能力。进一步探讨了石墨烯-ILs复合材料的微观结构和性能。石墨烯中掺杂原子会引起表面静电势分布的改变，影响离子液体的吸附位置及其性质。与氢封端石墨烯相比，氟化石墨烯是一种更稳定的载流子材料，因为它与羟基吡啶基ILs的结合能更高。更高的结合能不是来自掺杂原子与ILs之间的直接相互作用，而是来自掺杂原子对石墨烯电子结构的影响。在甲醇溶剂中，ILs在各种石墨烯表面的吸附是自发放热过程，这表明材料制备是可行的。

图1. [TMA][HPy]和石墨烯的阳/阴离子结构。

图2. (a) HG、(b) FG、(c) N-FG、(d) b -FG、(e) BN-FG、(f) [TMA][HPy]分子表面的静电电位计算，以及(g) HG、(h) FG、(i) N-FG、(j) B-FG、(k) BN-FG各ESP范围内的表面积。

图3. 石墨烯表面吸附的[TMA][HPy] (IL)的优化几何形状，(a) IL/HG (b) IL/ B-FG (c) IL/BN-FG (d) IL/FG (f) IL/N-FG，以及IL/FG (e)或IL/N-FG (g)配合物中阳离子与f原子之间的氢键。

图4. [TMA][HPy]/石墨烯体系中的电荷转移和[TMA][HPy] (IL)和[TMA][3-MeO-HPy] (MeOIL)阴离子中N和O原子的ADCH电荷。MeO-IL中的O原子代表羟基O原子。

图5. 石墨烯表面IL的SAPT能量分解分析。图中IL为[TMA][HPy]。

图6. 不同[TMA][HPy]/石墨烯配合物的IGMH表面图，(a) [TMA][HPy]/HG， (b) [TMA][HPy]/FG， (c) [TMA][HPy]/N-FG， (d) [TMA][HPy]/ B-FG， (e) [TMA][HPy]/BN-FG，并根据δG^atom指数对原子进行着色，(f) [TMA][HPy]/N-FG， (g) [TMA][HPy]/ B-FG， (h) [TMA][HPy]/BN-FG。

图7. [TMA][HPy]在不同温度下吸附在不同石墨烯表面的焓变(a)、熵变(b)和自由能变化(c)。图中IL为[TMA][HPy]。

相关研究成果由中国石油大学新能源学院能源与动力工程系Xiuxia Zhang和山东农业工程学院资源与环境工程学院Dayong Song等人于2024年发表在Applied Surface Science (https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2024.159917 )上。原文：Enhancing CO₂ adsorption capacity of hydroxypyridine-based ionic liquids using fluorinated graphene as carrier Material: A density functional theory study