基于Ru/NiAlOx催化剂的不对称环烷烃设计实现低冰点可持续航空燃料及气体溶解新理论模型构建

本刊荣幸推荐赵跃强博士的重要研究，作者创新性地提出了气体在液体中溶解度的理论新模型。该模型通过溶质转移自由能（涉及流体凝聚能变化与液-液溶剂-溶质界面张力(IFT)）预测气体溶解度，其预测精度显著超越传统Prausnitz-Shair方法、Peng-Robinson状态方程(EoS)及COSMO-RS模型（整体均方根误差(RMSE)仅0.44），为温室气体（CO2、CH4）捕集与利用技术提供了更可靠的理论工具，对实现碳负排放（carbon-negative）及碳中和（carbon-neutral）目标具有重要科学价值。

　　

理论亮点

气体在液体中的溶解过程可视为包含两个步骤：首先气体在系统压力下被等温绝热地冷凝成假想液态，随后假想液态溶质分子克服溶剂-溶质界面张力（IFT）穿越液-液界面并在液体溶液中产生空腔。根据热力学第一定律，溶解过程第一步所需的功等于气相中溶质分子的摩尔内聚能（E_ii^(G)）与假想液态溶质摩尔内聚能（E_ii^(L)）之差。第二步的功则由溶剂-溶质界面张力（σ₁₂）与溶质分子的COSMO表面积（A_cosmo）共同决定。

结果与讨论

溶剂的COSMO性质（A_cosmo、V_cosmo、Sigma-profile）参见文献[20]，部分溶质的sigma-profile（表面片段电荷密度分布）如图1所示。气体溶质分子的片段数量通过公式(9)计算。气态溶质的摩尔内聚能采用Peng-Robinson状态方程(EoS)计算：E_ii^(G) = -H_res + (z - 1)RT，其中z为压缩因子，H_res代表摩尔剩余焓。假想液态溶质的摩尔内聚能则通过其蒸发焓计算。

结论

本研究提出了一种新的气体在液体中溶解度的理论模型，该模型通过凝聚能变化和液-液溶剂-溶质界面张力（IFT）来评估从气相到液体溶液的溶质转移自由能，进而预测气体溶解度。该模型已在273.15～348.29 K的温度范围和1～88.498 atm的压力范围内进行了气体溶解度估算验证，其整体均方根误差（RMSE）显著低于传统方法，展现出卓越的预测性能与可靠性。