非共价相互作用在CO2捕获中的作用解析：基于氨基酸离子液体的DFT与COSMO-RS研究

本综述通过密度泛函理论（DFT）和真实溶剂似导体屏蔽模型（COSMO-RS）系统揭示了氨基酸离子液体（AAILs）与CO2间的多重非共价相互作用机制，提出含多重胺基的赖氨酸基AAILs具有最优吸附能（-4.6831 kcal/mol）和溶解特性，为设计高效CO2捕获材料提供理论范式与分子设计策略。

　　

Highlight

Methodology

本研究分为四个部分。首先使用Gaussian 09软件包进行DFT计算，采用B3LYP方法和6-311G++(d,p)基组完成所有几何优化，并通过频率分析确认稳定构型。吸附能通过公式E_ads = E_IL–CO2 – (E_IL + E_CO2)计算，并采用自然键轨道（NBO）、量子理论中的原子（QTAIM）和相互作用区域指示器（IRI）分析电子转移与相互作用本质。

Interaction of nCO₂ with [1MeimPS][AA]s

探究了nCO₂（n=1至2）与[1MeimPS][AA]s中胺基的相互作用（图1）。单CO₂与[1MeimPS][Arg]、[1MeimPS][Gly]和[1MeimPS][Lys]的胺基结合距离分别为3.00 ?、2.822 ?和2.828 ?，吸附能如表1所示。[1MeimPS][Lys]-1CO₂表现出最大吸附能（-2.820 kcal/mol），而[1MeimPS][Arg]-1CO₂最低（-1.966 kcal/mol）。对于双CO₂，赖氨酸基AAIL-2CO₂的吸附能近乎翻倍（-4.6831 kcal/mol），精氨酸基AAIL-2CO₂反而降低（-1.901 kcal/mol）。第二CO₂的引入缩短键距，强化了吸附作用。NBO分析显示赖氨酸基AAIL存在显著电荷转移，QTAIM和IRI图谱证实阴离子与CO₂存在强色散相互作用。含多重胺基的ILs中，赖氨酸基AAIL展现出最优活性系数（γ^∞），表明其与CO₂的相互作用兼具高效性与稳定性。

Recommendations

基于本研究的重要发现，强烈推荐以下研究方向与实际应用：首先应实验合成并验证DFT与COSMO-RS预测的高效[1Meim][AA]s候选材料，以实证其吸附能力；其次需开展补充计算研究（如分子动力学模拟）以探索动态条件下的相互作用行为；最后应推动这类材料在工业碳捕获装置中的集成测试，加速其从理论向实践的转化。

Conclusion

本研究通过DFT与COSMO-RS方法揭示了多胺基氨基酸离子液体（AAILs）与nCO₂（n=1至2）的相互作用机制。以[1MeimPS]⁺为阳离子，分别与[Lys]^-、[Arg]^-和[Gly]^-阴离子构建三种AAILs。计算表明，赖氨酸基AAIL在吸附能、电荷转移和溶解性方面均表现卓越，其与双CO₂的相互作用能达-4.6831 kcal/mol。CO₂溶解度研究显示，温度与溶解度呈负相关，[Gly]^-与[Lys]^-基ILs在宽温域（288.15–353.15 K）和压力范围（5.0–45 bar）内具优异捕获性能。NBO、QTAIM与IRI分析共同验证了非共价相互作用的主导地位。本研究为设计高效、可持续的CO₂捕获材料提供了分子层面的理论基石与设计策略。