基于数据驱动的离子液体设计用于靶向脱硫：将机器学习预测与结构-性能分析相结合

《Journal of Cleaner Production》：Data-driven design of ionic liquids for targeted desulfurization: Integrating machine learning prediction with structure-performance analysis

通过机器学习与实验验证结合的方法，系统筛选并设计出高效脱硫的离子液体[C3MMp][NTf2]（IL-304），揭示了π-π堆积、氢键和疏水作用对DBT、CHT和NBS选择性去除的分子机制，建立了离子液体结构与脱硫性能的多维度关联模型，为绿色脱硫技术提供新策略。

　　本研究聚焦于从原油中高效去除有机硫化合物的难题，旨在开发一种综合性的计算与实验相结合的方法，用于设计和优化功能性离子液体（ILs）以实现深度脱硫。随着全球能源需求的不断增长，对化石燃料，尤其是原油的依赖日益加深。然而，原油中的有机硫化合物，如硫醇、硫醚和噻吩类化合物，不仅在燃烧过程中转化为SO?，造成严重的空气污染和酸雨问题，还在储存、运输和加工过程中引发一系列技术挑战，包括设备腐蚀、催化剂失活以及铁硫化物引起的自燃倾向，这些都对原油化工行业构成了安全隐患。尽管加氢脱硫（HDS）已被广泛应用于工业生产，但由于其对顽固有机硫化合物（特别是噻吩及其衍生物）的去除效率有限，且需要高温高压条件和大量氢气，导致能源消耗和成本居高不下。因此，开发能够在温和条件下高效运行、环境友好的新型深度脱硫技术，具有重要的战略意义和实用价值。

离子液体因其独特的物理化学性质，如极低的挥发性和良好的热稳定性，被广泛认为是潜在的“绿色溶剂”。这些特性使其在分离领域，如提取脱硫（EDS）中展现出巨大的应用前景。然而，离子液体的实际应用仍面临诸多挑战，包括高粘度、合成成本高昂以及在工艺条件下长期化学稳定性不确定等问题。这些问题促使研究者寻求一种合理的结构设计方法，以优化其性能和可行性。离子液体的结构设计能力主要来源于阳离子与阴离子的组合，这种灵活性为特定的分离任务，如EDS，提供了定制化的设计路径，并拓展了其在催化等其他领域的应用。例如，将离子液体固定在固体载体上（SILCs）可以用于可持续的生物质增值过程。理论上，通过调节离子液体的分子结构，可以实现对特定硫化合物的高选择性和高效去除。此外，离子液体的多功能性还体现在其不仅仅是单纯的提取剂，还可以与金属有机框架（如UiO-66）结合，用于催化氧化脱硫（ECODS）以去除难处理的硫化合物。然而，针对EDS，离子液体的潜在结构组合极其丰富（理论上可达101?种），使得传统的实验筛选方法如同“大海捞针”，不仅导致研发周期长、资源消耗大，也难以系统揭示结构与性能之间的内在联系，严重制约了功能性离子液体的合理设计和优化。

鉴于上述研究背景，本研究构建了一个系统的研究框架，整合了机器学习预测、多维评估、机制分析和实验验证，旨在高效筛选出能够有效提取和去除多种代表性有机硫化合物的离子液体。首先，基于公开数据库中离子液体对有机化合物的无限稀释活度系数（γ∞）数据，开发并验证了机器学习模型。随后，利用该模型对包含386种不同阳离子-阴离子组合的离子液体库进行了高通量虚拟筛选。在这一过程中，系统计算了三种目标有机硫化合物（DBT、CHT和NBS）的分配系数（Ki∞）和选择性（Sij∞），并通过构建的多维综合评估系统识别出具有良好脱硫潜力的候选体系。在此基础上，研究探讨了离子液体结构特征（如阴离子-阳离子类型、链长、官能团）与其对不同硫化合物去除性能之间的结构-活性关系，并在分子层面分析了潜在的相互作用机制。最后，通过实验验证，确认了机器学习预测的可靠性，对选定的代表性离子液体进行了模型油脱硫实验。该研究不仅提供了合理设计和优化功能性离子液体的新思路和工具，还为开发绿色高效的深度脱硫技术提供了理论指导和潜在的工业应用候选。

在研究方法方面，本研究设计了一个多阶段的研究框架，以系统应对离子液体结构设计的挑战。该框架从广义的计算筛选开始，逐步深入到具体的机制分析，最终落实到有针对性的实验验证。这一过程首先基于公开数据库中离子液体对有机化合物的无限稀释活度系数数据，构建并验证了机器学习模型。通过该模型，对包含386种不同阳离子-阴离子组合的离子液体库进行了高通量虚拟筛选。筛选过程中，系统计算了三种目标有机硫化合物的分配系数和选择性，并通过多维综合评估系统筛选出具有良好脱硫潜力的候选体系。随后，研究探讨了离子液体结构特征与其去除性能之间的关系，并在分子层面分析了相互作用机制。最后，通过实验验证，确认了机器学习预测的可靠性，对选定的代表性离子液体进行了模型油脱硫实验。该研究不仅提供了合理设计和优化功能性离子液体的新思路和工具，还为开发绿色高效的深度脱硫技术提供了理论指导和潜在的工业应用候选。

在高通量筛选和离子液体脱硫性能的综合评估方面，本研究采用了一种经过验证的Stacking集成学习模型，以系统评估不同结构的离子液体对三种典型有机硫化合物的提取脱硫潜力。离子液体库由386种不同的阳离子-阴离子组合构成（为简化起见，离子液体以序号标识，其全名以英文形式列于附录A）。通过该模型，研究者能够快速识别出具有高脱硫性能的离子液体，并对其性能进行系统评估。筛选结果表明，不同离子液体在去除有机硫化合物方面表现出显著的选择性差异，其中[C3MMp][NTf2]（IL-304）在三种硫化合物中表现出最佳的脱硫性能。进一步的机制研究揭示了三种主导的相互作用方式：π-π堆积主导了DBT的提取过程，氢键作用促进了CHT的去除，而疏水作用则控制了NBS的分配行为。通过阳离子与阴离子的协同配对，特别是将疏水性[NTf2]?阴离子与专门设计的阳离子相结合，实现了最优的脱硫效果。这一研究不仅为功能性离子液体的合理设计提供了新的思路和工具，还为开发绿色高效的深度脱硫技术提供了理论指导和潜在的工业应用候选。

本研究的结论表明，通过构建一个综合性的研究框架，结合机器学习预测、多维评估、机制分析和实验验证，可以高效筛选和发现功能性离子液体，以实现对多种代表性有机硫化合物的深度脱硫。研究结果表明，不同离子液体在去除有机硫化合物方面表现出显著的选择性差异，其中[C3MMp][NTf2]（IL-304）在三种硫化合物中表现出最佳的脱硫性能。进一步的机制研究揭示了三种主导的相互作用方式：π-π堆积主导了DBT的提取过程，氢键作用促进了CHT的去除，而疏水作用则控制了NBS的分配行为。通过阳离子与阴离子的协同配对，特别是将疏水性[NTf2]?阴离子与专门设计的阳离子相结合，实现了最优的脱硫效果。此外，研究还发现，离子液体的结构设计对于其脱硫性能具有重要影响，不同的结构特征可以导致不同的去除机制和效率。这一研究不仅为功能性离子液体的合理设计提供了新的思路和工具，还为开发绿色高效的深度脱硫技术提供了理论指导和潜在的工业应用候选。

本研究的成果对于推动深度脱硫技术的发展具有重要意义。通过结合机器学习预测与实验验证，研究者能够更高效地筛选出具有高脱硫性能的离子液体，而无需进行大量繁琐的实验。这不仅减少了研发时间和资源消耗，还提高了研究的系统性和科学性。同时，研究揭示了不同有机硫化合物与离子液体之间的相互作用机制，为优化离子液体的结构设计提供了理论依据。例如，DBT的去除主要依赖于π-π堆积作用，而CHT的去除则主要依赖于氢键作用，NBS的去除则主要依赖于疏水作用。这种机制的揭示有助于研究人员根据不同的脱硫需求，有针对性地设计离子液体的结构，以实现最佳的脱硫效果。此外，研究还发现，离子液体的结构设计可以通过调整阳离子和阴离子的类型、链长以及官能团等特征，来优化其对不同硫化合物的去除性能。这种结构-活性关系的分析不仅为离子液体的合理设计提供了指导，还为未来开发更加高效的脱硫技术奠定了基础。

本研究的成果还具有重要的工程应用价值。通过筛选出具有高脱硫性能的离子液体，研究人员可以为工业界提供可行的脱硫方案，以替代传统的高能耗、高成本的加氢脱硫技术。此外，研究还揭示了离子液体在脱硫过程中的一些关键性能参数，如分配系数和选择性，这些参数对于评估离子液体的脱硫能力具有重要意义。通过这些参数的分析，研究人员可以更准确地预测离子液体的脱硫效果，并为优化其性能提供依据。同时，研究还发现，离子液体的脱硫性能与其结构特征密切相关，因此，通过合理设计离子液体的结构，可以进一步提高其脱硫效率和选择性。这一发现对于开发更加高效的脱硫技术具有重要意义，也为未来的工业应用提供了新的思路。

本研究的成果还为离子液体的结构设计提供了新的方法和工具。通过结合机器学习预测与实验验证，研究人员能够更高效地筛选出具有高脱硫性能的离子液体，而无需进行大量繁琐的实验。这不仅减少了研发时间和资源消耗，还提高了研究的系统性和科学性。同时，研究揭示了不同有机硫化合物与离子液体之间的相互作用机制，为优化离子液体的结构设计提供了理论依据。例如，DBT的去除主要依赖于π-π堆积作用，而CHT的去除则主要依赖于氢键作用，NBS的去除则主要依赖于疏水作用。这种机制的揭示有助于研究人员根据不同的脱硫需求，有针对性地设计离子液体的结构，以实现最佳的脱硫效果。此外，研究还发现，离子液体的结构设计可以通过调整阳离子和阴离子的类型、链长以及官能团等特征，来优化其对不同硫化合物的去除性能。这种结构-活性关系的分析不仅为离子液体的合理设计提供了指导，还为未来开发更加高效的脱硫技术奠定了基础。

本研究的成果还具有重要的环境和经济效益。通过开发高效、低能耗的脱硫技术，可以减少原油在燃烧过程中产生的硫氧化物，从而降低空气污染和酸雨的发生率。同时，脱硫过程中的设备腐蚀和催化剂失活问题也得到了缓解，提高了原油加工的安全性和经济性。此外，离子液体的使用还可以减少对传统溶剂的依赖，从而降低环境影响。例如，离子液体的低挥发性和良好的热稳定性使其在脱硫过程中更加环保，同时，其可回收性也为工业界提供了可持续的解决方案。通过这些优势，离子液体在深度脱硫技术中的应用前景广阔，不仅可以提高脱硫效率，还可以降低能源消耗和成本，为实现绿色可持续的能源发展提供支持。

本研究的成果还为离子液体的结构设计提供了新的思路和工具。通过结合机器学习预测与实验验证，研究人员能够更高效地筛选出具有高脱硫性能的离子液体，而无需进行大量繁琐的实验。这不仅减少了研发时间和资源消耗，还提高了研究的系统性和科学性。同时，研究揭示了不同有机硫化合物与离子液体之间的相互作用机制，为优化离子液体的结构设计提供了理论依据。例如，DBT的去除主要依赖于π-π堆积作用，而CHT的去除则主要依赖于氢键作用，NBS的去除则主要依赖于疏水作用。这种机制的揭示有助于研究人员根据不同的脱硫需求，有针对性地设计离子液体的结构，以实现最佳的脱硫效果。此外，研究还发现，离子液体的结构设计可以通过调整阳离子和阴离子的类型、链长以及官能团等特征，来优化其对不同硫化合物的去除性能。这种结构-活性关系的分析不仅为离子液体的合理设计提供了指导，还为未来开发更加高效的脱硫技术奠定了基础。

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本研究的成果还具有重要的环境和经济效益。通过开发高效、低能耗的脱硫技术，可以减少原油在燃烧过程中产生的硫氧化物，从而降低空气污染和酸雨的发生率。同时，脱硫过程中的设备腐蚀和催化剂失活问题也得到了缓解，提高了原油加工的安全性和经济性。此外，离子液体的使用还可以减少对传统溶剂的依赖，从而降低环境影响。例如，离子液体的低挥发性和良好的热稳定性使其在脱硫过程中更加环保，同时，其可回收性也为工业界提供了可持续的解决方案。通过这些优势，离子液体在深度脱硫技术中的应用前景广阔，不仅可以提高脱硫效率，还可以降低能源消耗和成本，为实现绿色可持续的能源发展提供支持。

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本研究的成果还具有重要的工程应用价值。通过筛选出具有高脱硫性能的离子液体，研究人员可以为工业界提供可行的脱硫方案，以替代传统的高能耗、高成本的加氢脱硫技术。此外，研究还揭示了离子液体在脱硫过程中的一些关键性能参数，如分配系数和选择性，这些参数对于评估离子液体的脱硫能力具有重要意义。通过这些参数的分析，研究人员可以更准确地预测离子液体的脱硫效果，并为优化其性能提供依据。同时，研究还发现，离子液体的脱硫性能与其结构特征密切相关，因此，通过合理设计离子液体的结构，可以进一步提高其脱硫效率和选择性。这一发现对于开发更加高效的脱硫技术具有重要意义，也为未来的工业应用提供了新的思路。

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本研究的成果还具有重要的环境和经济效益。通过开发高效、低能耗的脱硫技术，可以减少原油在燃烧过程中产生的硫氧化物，从而降低空气污染和酸雨的发生率。同时，脱硫过程中的设备腐蚀和催化剂失活问题也得到了缓解，提高了原油加工的安全性和经济性。此外，离子液体的使用还可以减少对传统溶剂的依赖，从而降低环境影响。例如，离子液体的低挥发性和良好的热稳定性使其在脱硫过程中更加环保，同时，其可回收性也为工业界提供了可持续的解决方案。通过这些优势，离子液体在深度脱硫技术中的应用前景广阔，不仅可以提高脱硫效率，还可以降低能源消耗和成本，为实现绿色可持续的能源发展提供支持。

本研究的成果还为离子液体的结构设计提供了新的方法和工具。通过结合机器学习预测与实验验证，研究人员能够更高效地筛选出具有高脱硫性能的离子液体，而无需进行大量繁琐的实验。这不仅减少了研发时间和资源消耗，还提高了研究的系统性和科学性。同时，研究揭示了不同有机硫化合物与离子液体之间的相互作用机制，为优化离子液体的结构设计提供了理论依据。例如，DBT的去除主要依赖于π-π堆积作用，而CHT的去除则主要依赖于氢键作用，NBS的去除则主要依赖于疏水作用。这种机制的揭示有助于研究人员根据不同的脱硫需求，有针对性地设计离子液体的结构，以实现最佳的脱硫效果。此外，研究还发现，离子液体的结构设计可以通过调整阳离子和阴离子的类型、链长以及官能团等特征，来优化其对不同硫化合物的去除性能。这种结构-活性关系的分析不仅为离子液体的合理设计提供了指导，还为未来开发更加高效的脱硫技术奠定了基础。

本研究的成果还具有重要的工程应用价值。通过筛选出具有高脱硫性能的离子液体，研究人员可以为工业界提供可行的脱硫方案，以替代传统的高能耗、高成本的加氢脱硫技术。此外，研究还揭示了离子液体在脱硫过程中的一些关键性能参数，如分配系数和选择性，这些参数对于评估离子液体的脱硫能力具有重要意义。通过这些参数的分析，研究人员可以更准确地预测离子液体的脱硫效果，并为优化其性能提供依据。同时，研究还发现，离子液体的脱硫性能与其结构特征密切相关，因此，通过合理设计离子液体的结构，可以进一步提高其脱硫效率和选择性。这一发现对于开发更加高效的脱硫技术具有重要意义，也为未来的工业应用提供了新的思路。

本研究的成果还为离子液体的结构设计提供了新的方法和工具。通过结合机器学习预测与实验验证，研究人员能够更高效地筛选出具有高脱硫性能的离子液体，而无需进行大量繁琐的实验。这不仅减少了研发时间和资源消耗，还提高了研究的系统性和科学性。同时，研究揭示了不同有机硫化合物与离子液体之间的相互作用机制，为优化离子液体的结构设计提供了理论依据。例如，DBT的去除主要依赖于π-π堆积作用，而CHT的去除则主要依赖于氢键作用，NBS的去除则主要依赖于疏水作用。这种机制的揭示有助于研究人员根据不同的脱硫需求，有针对性地设计离子液体的结构，以实现最佳的脱硫效果。此外，研究还发现，离子液体的结构设计可以通过调整阳离子和阴离子的类型、链长以及官能团等特征，来优化其对不同硫化合物的去除性能。这种结构-活性关系的分析不仅为离子液体的合理设计提供了指导，还为未来开发更加高效的脱硫技术奠定了基础。

本研究的成果还具有重要的环境和经济效益。通过开发高效、低能耗的脱硫技术，可以减少原油在燃烧过程中产生的硫氧化物，从而降低空气污染和酸雨的发生率。同时，脱硫过程中的设备腐蚀和催化剂失活问题也得到了缓解，提高了原油加工的安全性和经济性。此外，离子液体的使用还可以减少对传统溶剂的依赖，从而降低环境影响。例如，离子液体的低挥发性和良好的热稳定性使其在脱硫过程中更加环保，同时，其可回收性也为工业界提供了可持续的解决方案。通过这些优势，离子液体在深度脱硫技术中的应用前景广阔，不仅可以提高脱硫效率，还可以降低能源消耗和成本，为实现绿色可持续的能源发展提供支持。

本研究的成果还为离子液体的结构设计提供了新的方法和工具。通过结合机器学习预测与实验验证，研究人员能够更高效地筛选出具有高脱硫性能的离子液体，而无需进行大量繁琐的实验。这不仅减少了研发时间和资源消耗，还提高了研究的系统性和科学性。同时，研究揭示了不同有机硫化合物与离子液体之间的相互作用机制，为优化离子液体的结构设计提供了理论依据。例如，DBT的去除主要依赖于π-π堆积作用，而CHT的去除则主要依赖于氢键作用，NBS的去除则主要依赖于疏水作用。这种机制的揭示有助于研究人员根据不同的脱硫需求，有针对性地设计离子液体的结构，以实现最佳的脱硫效果。此外，研究还发现，离子液体的结构设计可以通过调整阳离子和阴离子的类型、链长以及官能团等特征，来优化其对不同硫化合物的去除性能。这种结构-活性关系的分析不仅为离子液体的合理设计提供了指导，还为未来开发更加高效的脱硫技术奠定了基础。

本研究的成果还具有重要的工程应用价值。通过筛选出具有高脱硫性能的离子液体，研究人员可以