二维氮化碳插层耦合离子液体复合材料的可控制备及CO2吸附-催化机制研究

Adsorption, fixation and conversion of CO2 gas is an important development direction to solve the problems of comprehensive utilization of greenhouse effect and C1 resource. Aiming at the requirements of atomic economy of CO2 adsorption and catalytic conversion process and guided by the construction of composite materials with high adsorption properties and excellent catalytic activity for CO2, the project, based on chemical stability and layer number tunability of the layered structure of two-dimensional materials, combined with doping and delamination, could realize the controllable preparation of two-dimensional layered carbon nitride. Based on the confinement effect of two-dimensional carbon nitride, a novel type of CO2 adsorption and catalytic material was prepared through the coordination effect，which could realize the integration of CO2 adsorption、CO2 activation and CO2 in-situ catalysis on the surface of the composite materials. The synergistic effect between the vacancy defect structure、the surface properties of the modified two-dimensional carbon nitride and the metal centers、the nucleophilic anion of ionic liquid on the CO2 adsorption and catalytic conversion was respectively drawn out. Meanwhile, the nature of CO2 adsorption and catalytic conversion by the composite was confirmed. The implementation of this project will provide new ideas for solving environmental protection problems and high value-added utilization of C1 resources.

工业废气中CO2的吸附、固定和转化是解决温室效应和C1资源的综合利用问题的重要发展方向。针对CO2吸附-催化转化过程的原子经济性要求，以对CO2具有高吸附特性和催化活性的复合材料构筑为导向，本项目利用二维材料的化学稳定性及层数可调性，借助掺杂和剥离相结合的方法，实现改性二维氮化碳材料的可控制备；基于改性二维氮化碳材料的片层限域特征，与金属络合阴离子型离子液体通过配位作用制备新型复合材料，实现CO2在复合材料表界面上的吸附、活化和原位催化过程一体化；通过密度泛函理论计算和原位红外等表征，揭示改性二维氮化碳的空位缺陷结构、表面碱性与离子液体的金属中心、亲核阴离子之间的协同作用对CO2吸附-催化性能的影响规律，确定复合材料对CO2吸附-催化转化的作用机制。本项目的实施为解决环境保护问题和C1资源的高附加值利用问题提供新思路。

工业废气中CO2的吸附、固定和转化是解决温室效应和C1资源的综合利用问题的重要发展方向。.针对纯氮化碳（CN）基材料存在着氨基活性位较少、活性负载量少等导致催化活性差等问题，通过向CN结构中引入卤代离子液体，通过物理混合、化学嫁接、原位转化等方式制备了系列季铵盐离子液体/CN催化剂，考察了CO2与环氧化物环加成性能，实现环氧氯丙烷转化率和氯丙烯碳酸酯产率均高于99%，结合表征和实验结果，探明了蜜勒胺的氨基和季铵盐离子液体上的羟基、卤素对CO2环加成反应的协同作用机理。.针对现有CO2环加成-酯交换耦合制备链状碳酸酯的催化剂存在着亲核离子单一、碱性位点缺乏、极性基团有限等不足，采用ILs自由基共聚与聚离子液体(PILs)骨架表面改性相结合策略，构筑了系列叔N功能化、羟基二胺功能化、氨基多唑功能化和羟基吡啶功能化碱性聚离子液体催化剂。在无溶剂和助催化剂条件下，碱性PILs可以催化CO2、环氧底物和CH3OH一步耦合反应生成碳酸二甲酯(DMC)，实现DMC产率均高于59%。借助原位IR表征分析和DFT理论计算，阐明了碱性离子键合活化CO2和所得离子加合物亲核进攻环氧底物的作用机制和CO2在碱性离子位点的活化过程，及反向调控催化剂表面碱度抑制醇解副反应发生的作用机制。.针对现有碳材料存在表面化学吸附位少、孔结构调控难，导致其吸附容量和选择性低的问题，以DBU、尿素和VIM为改性剂，通过共聚和碳化相结合的方式，在无活化剂条件下直接碳化制备了系列含氮化合物改性羧酸类聚合物衍生多孔碳材料。通过SEM、FT-IR、XRD、N2吸附-脱附测试、XPS以及元素分析对所制备的多孔碳材料进行了表征分析，研究表明DBU、尿素和VIM的引入增强了碳材料结构的碱性吸附位点和对CO2吸附有利的微孔结构，从而进一步提高对CO2的吸附容量和吸附选择性。.本项目的顺利实施既可以助推双碳目标早日实现，又为实现C1资源的高附加值利用提供新思路。