离子液体-水体系的介尺度结构和催化机制

Ionic liquids (ILs) were investigated extensively, and the quantitative control for the properties is the driving force in future applications, in which the mesoscale is the core. However, the investigation of mesoscale structures is relatively insufficient at present, which becomes the bottleneck of IL’s applications. As the common character, water is very critical for controlling the properties in many applications of ILs. In this work, we will investigate the forming mechanism of mesoscale structure, the conditions of stability and aggregate process by computational simulations combining with the experiments. The main studies focus on the change of the interactive forces in the process and controlling mechanism, the interface of cluster-water. We also will investigate the reactive mechanism of chemical fixation of CO2 to cyclic carbonate, in which the clusters interact with the reactant. The results will bear the important scientific significance on the IL’s applications.

离子液体得到长足发展，其性质和应用的定量描述和定向调控成为离子液体的发展方向，而核心是介尺度结构和调控。然而，目前缺乏对于离子液体反应体系的介尺度结构和调控机制的系统研究，成为离子液体应用和发展的主要瓶颈。作为应用中的共性问题，水对于定量调控离子液体的性质和应用有重要的作用，因此，本项目选择离子液体-水反应体系为研究对象，采用计算模拟和实验相结合的方法，研究离子液体-水体系中介于单个离子/离子对和液滴（或颗粒）之间形成的介尺度结构/界面的形成机制、稳定条件以及聚并、破碎等动态过程，重点考察介尺度结构形成过程中各种作用力的变化以及控制机制、离子簇-水的界面结构，在此基础上针对离子液体催化转化CO2碳酸酯的反应，研究离子簇催化机理，为离子液体的介尺度理论的发展和离子液体的工业应用提供科学依据。

尽管离子液体研究得到长足发展，但缺乏对于离子液体反应体系的介尺度结构和调控机制的系统研究，成为离子液体应用和发展的主要瓶颈。本项目针对于离子液体体系的介尺度结构及在催化中的应用为背景展开研究，其反应为离子液体催化CO2转换环状碳酸酯，主要通过量子化学和分子模拟，并结合实验对介尺度结构、形成机制及催化过程进行研究。首先研究了典型离子对结构和相互作用能，在此基础上构建了考虑氢键morse模型的离子液体力场，进行了分子动力学模拟，发现离子液体在反应体系中形成大小不一的离子簇介尺度结构，这些离子簇而不是单个离子可能起主要的催化作用。通过量子化学计算了单个离子对的催化路径，发现环氧的开环是整个反应的决速步骤，进一步计算了不同离子液体的开环的能垒和过渡态，发现阴阳离子和PO直接的氢键作用是导致开环的主要主要力，进一步证明了离子簇而不是单个离子的协同催化机制。实验上，通过冷冻电镜直接观察到了环氧丙烷（PO）中的离子簇，以及不同离子液体转化率和选择性的影响，并和模拟进行了关联。.水对于反应有重要的影响，量子化学计算表明水参与反应，能够有效降低反应的活化能，使得反应更容易进行，并通过分子动力学模拟了离子液体/水的界面和体系结构，发现疏水性和亲水性离子液体的界面结构有很大的不同。.相关研究结果发表在Chem.Rev、Chem. Commun.、Ind. Eng. Chem. Res.等重要学术杂志上，其结果对于进一步推动离子液体作为催化剂在绿色化学中的应用和相关产业化有重要的促进作用。