中性胆碱基深共晶溶剂的实验研究及乙醇调控下的分子动力学模拟

《Fluid Phase Equilibria》：Experimental study and MD simulation of neutral choline–based deep eutectic solvents regulated by ethanol

本研究探究乙醇对胆碱盐基深熔盐（DES）系统粘度的影响。通过实验与分子动力学模拟，发现乙醇（摩尔分数0-1）破坏DES原有氢键网络，形成新弱键，使四种DES系统粘度分别降低96%、88%、93%和93%，同时维持氢键网络整体结构。结果表明乙醇可有效调控DES微观结构和粘度，提升其在吸收式制冷等工业中的应用潜力。

　　深共晶溶剂（Deep Eutectic Solvents, DESs）作为一种新型的绿色溶剂，近年来在工业和科研领域引起了广泛关注。DESs通常由氢键供体（Hydrogen Bond Donors, HBDs）和氢键受体（Hydrogen Bond Acceptors, HBAs）组成，其独特的物理化学性质使其在许多应用场景中展现出优越的性能。本研究重点探讨了由胆碱氯化物和四种醇类氢键供体（甘油、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇和2,3-丁二醇）组成的DES系统，并在其中添加乙醇，乙醇的摩尔分数范围从0到1。通过实验测量和分子动力学（Molecular Dynamics, MD）模拟相结合的方式，研究了这些混合系统的密度和粘度特性，揭示了乙醇对DES微观结构和粘度调控的作用机制。

实验测量结果显示，在乙醇质量分数分别为49%、53%、43%和40%时，四个系统中的粘度分别降低了96%、88%、93%和93%。尽管乙醇的添加显著降低了粘度，但整个DES的氢键网络仍然保持相对完整。这一现象表明，乙醇虽然能够破坏原有的氢键结构，但同时也形成了新的、较弱的相互作用，从而在宏观上实现了粘度的降低，而不会完全破坏DES的结构稳定性。这些发现为DES的结构设计和实际应用提供了理论支持，同时也展示了乙醇作为调节剂在降低DES粘度方面的有效性。

本研究中所使用的材料主要分为两类。第一类是氢键受体，选择的是胆碱氯化物，它在DES系统中起到关键作用。第二类是基于醇类的氢键供体，包括不同碳链长度、功能基数量和位置的多元醇，如甘油、1,3-丙二醇、1,2-丙二醇和2,3-丁二醇。这些材料按照特定的摩尔比例混合，制备出中性的DES样品。所有化学品均符合实验要求，并经过严格的质量控制，以确保实验结果的准确性和可靠性。

在分子动力学模拟中，为了区分不同成分中的氢原子和氧原子，对每个成分中的氢原子和氧原子进行了明确标记。通过使用GAFF力场和RESP2电荷模型进行模拟，研究团队获得了与实验数据高度一致的结果，验证了模型的准确性。模拟结果显示，乙醇在与胆碱阳离子（CHO?）和阴离子（Cl?）之间、与氢键供体（HBD）之间以及在HBD分子内部形成了新的相互作用。这些相互作用虽然较弱，但有效削弱了原有的氢键网络，从而导致粘度的显著下降。此外，模拟还揭示了乙醇在不同体系中的作用机制，为理解其对DES物理性质的影响提供了微观视角。

在实验测量部分，研究团队对四种中性DES系统在不同温度和乙醇含量下的密度进行了测定。实验结果表明，随着乙醇含量的增加，密度呈现出下降的趋势。为了确保数据的可靠性，研究团队将纯DES和乙醇的密度数据与文献值进行了对比。在某些情况下，实验数据与文献值存在一定的偏差，但总体趋势保持一致，表明乙醇的添加对DES系统的密度产生了显著影响。通过结合实验数据和分子动力学模拟，研究团队进一步揭示了乙醇在调节DES物理性质方面的作用机制，为DES的设计和优化提供了理论依据。

研究团队还对DES系统的粘度进行了详细分析。实验结果显示，粘度随着乙醇含量的增加而显著下降，尤其是在乙醇质量分数较高的情况下，粘度降低效果更为明显。这一现象与模拟结果相互印证，表明乙醇在降低粘度方面具有显著的调控能力。然而，尽管粘度大幅下降，整个DES系统的氢键网络仍然保持相对稳定，这说明乙醇虽然改变了系统的微观结构，但并未完全破坏其基础特性。这种平衡使得DES在保持其优良性能的同时，能够通过乙醇的添加实现更低的粘度，从而提升其在工业应用中的可行性。

本研究不仅揭示了乙醇在调节DES粘度方面的作用机制，还为DES的设计和应用提供了重要的理论指导。通过实验和模拟的结合，研究团队系统分析了乙醇含量和氢键供体类型对粘度的影响。这些研究结果表明，非水极性溶剂如乙醇在调节DES粘度方面具有显著效果，可以作为有效的添加剂来优化DES的性能。此外，研究团队还发现，乙醇的添加不仅影响了DES的粘度，还对其密度和氢键网络产生了影响，这些变化在不同体系中表现有所不同，但总体趋势一致。

本研究的意义在于，它不仅深化了对DES-溶剂系统的研究，还为DES的实际应用提供了新的思路。通过揭示乙醇对DES粘度的调控机制，研究团队为DES的设计和优化提供了理论支持，同时也展示了乙醇在降低DES粘度方面的潜力。这些发现对于推动DES在工业领域的应用，尤其是吸收式制冷系统中的应用，具有重要的现实意义。此外，本研究还为未来的研究提供了方向，即如何通过调节溶剂种类和含量来进一步优化DES的性能，以满足不同工业需求。

在实验和模拟的结合下，研究团队不仅获得了DES-乙醇混合系统的密度和粘度数据，还通过理论分析揭示了其微观结构变化。这些研究结果表明，乙醇的添加改变了原有的氢键网络，但同时也形成了新的相互作用，从而在宏观上实现了粘度的降低。这种微观结构的变化对于理解DES的物理化学性质具有重要意义，同时也为DES的进一步研究和应用提供了理论依据。此外，研究团队还发现，不同类型的氢键供体对粘度的影响有所不同，这表明在DES设计过程中，选择合适的氢键供体对于优化粘度具有重要作用。

本研究的结论表明，乙醇作为一种非水极性溶剂，在调节DES粘度方面具有显著效果。通过实验测量和分子动力学模拟相结合的方式，研究团队不仅验证了乙醇对DES粘度的调控能力，还揭示了其作用机制。这些研究结果对于推动DES在工业领域的应用，尤其是在吸收式制冷系统中的应用，具有重要的现实意义。此外，研究团队还发现，乙醇的添加不仅影响了DES的粘度，还对其密度和氢键网络产生了影响，这些变化在不同体系中表现有所不同，但总体趋势一致。

综上所述，本研究通过实验和模拟的结合，深入探讨了乙醇对DES系统的影响。研究结果表明，乙醇能够有效调控DES的微观结构和粘度，使其在保持原有性能的同时，具备更低的粘度，从而提升其在工业应用中的可行性。这些发现不仅为DES的设计和优化提供了理论支持，也为未来的相关研究指明了方向。通过进一步探索不同溶剂对DES的影响，可以为开发更高效、更环保的DES系统提供新的思路和方法。