综述：使用低共熔溶剂进行可持续二氧化碳分离与捕获的新兴趋势

本综述系统探讨了低共熔溶剂（DES）在二氧化碳（CO2）捕获与分离领域的前沿进展。文章详细分析了DES的物理化学特性（如密度、粘度、熔点）及其与CO2的相互作用机制，重点介绍了基于DES的支撑液膜（SLM）和混合基质膜（MMM）在提升CO2渗透性和选择性方面的突破，为开发高效、低能耗的碳捕获技术提供了重要理论依据和工程方向。

　　

1. 引言

大气中二氧化碳（CO₂）浓度的急剧上升已成为全球气候变暖的主要驱动因素。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）的建议，到2030年需将人为CO₂排放量较2010年水平降低45%，并在2050年实现“净零”排放目标。传统的CO₂捕获技术如胺吸收法（如MEA、DEA）虽已商业化，但存在高能耗、设备腐蚀和溶剂降解等问题。近年来，低共熔溶剂（Deep Eutectic Solvents, DES）因其低挥发性、无毒、热稳定性和可生物降解性等优势，成为碳捕获领域的研究热点。

1.1. CO₂捕获技术

CO₂捕获技术主要包括燃烧前捕获、燃烧后捕获、氧燃料燃烧和化学链燃烧等。燃烧前捕获涉及合成气（CO和H₂的混合物）通过水煤气变换反应（WGS）转化为CO₂和H₂，随后分离CO₂；燃烧后捕获则针对化石燃料燃烧产生的烟气（含3-20 vol% CO₂），通过吸收、吸附或膜分离技术提取CO₂。

1.2. 物理吸收与化学吸收

物理吸收基于亨利定律，依赖压力和温度变化实现CO₂的吸附与解吸，常用溶剂包括二甲醚、甲醇和丙二醇碳酸酯等。化学吸收则通过胺类溶剂（如MEA、DEA、MDEA）与CO₂发生可逆化学反应，形成羧酸盐或碳酸氢盐。尽管化学吸收技术成熟，但存在溶剂再生能耗高、设备腐蚀等问题。

1.3. 低共熔溶剂（DES）的特性与分类

DES由氢键受体（HBA，如胆碱氯化物ChCl）和氢键供体（HBD，如尿素、甘油）通过氢键网络形成，其熔点显著低于单一组分。根据组成不同，DES可分为I-VII型（如表1所示），其中III型（如ChCl-尿素）和V型（非离子型DES）在CO₂捕获中应用最广。DES的低成本、低毒性和可调性使其成为替代传统离子液体（IL）的理想选择。

2. 物理性质

2.1. 熔点

DES的熔点通常低于其各组分的熔点，例如ChCl与尿素以1:2摩尔比混合后熔点降至12°C。熔点降低与HBA和HBD之间的氢键强度及摩尔比密切相关。

2.2. 密度与粘度

DES的密度范围一般为0.95-1.2 g/cm3，高于水（疏水型DES除外）。粘度受温度、HBD类型和摩尔比影响较大，例如ChCl-EG（1:2）在25°C时粘度为40 mPa·s。高温可降低粘度，但过高的粘度会限制CO₂的扩散速率。

2.3. 热导性与表面张力

DES的热导率较低，与粘度呈负相关。表面张力受HBA/HBD相互作用和温度影响，例如糖基DES的表面张力可达70 mN/m以上。

2.4. CO₂在DES中的溶解度

CO₂在DES中的溶解度取决于HBA和HBD的类型、摩尔比及温度压力条件。胺基DES（如ChCl-MEA）通过化学吸收可实现较高的CO₂负载量（最高达1.0 mol CO₂/mol胺），而醇基DES（如ChCl-EG）主要依赖物理吸收。研究表明，TBAB（四丁基溴化铵）基DES因更大的自由体积而具有更高的CO₂吸收能力。

3. DES与添加剂结合的CO₂捕获研究

DES与纳米材料（如MXene、MOF-808）结合可显著提升CO₂捕获效率。例如，ZnO-碳泡沫/DES复合材料在25°C和1 bar下CO₂吸附容量达3.03 mmol/g；MXene-Pebax混合基质膜在15% MXene负载下CO₂渗透性最佳。此外，添加分子筛（如HZSM-5）可降低DES再生能耗。

4. DES基支撑液膜（SLM）在CO₂分离中的应用

SLM通过将DES浸渍于多孔聚合物（如PVDF、PTFE）中形成选择性液膜，兼具高渗透性和选择性。DES-SLM的气体传输机制包括溶液扩散和促进传输两种方式。研究表明，ChCl-尿素（2:1）DES-SLM的CO₂渗透性达45.6 Barrer，对CO₂/CH₄和CO₂/N₂的选择性分别为61.6和78.6，性能优于许多传统离子液体膜。

5. 结论与未来展望

DES作为一种绿色、可设计的溶剂，在CO₂捕获与分离领域展现出巨大潜力。未来研究应聚焦于以下方向：1）开发低粘度、高吸收容量的DES配方；2）优化DES与纳米填料的复合策略以提升膜性能；3）推动DES-SLM的工业化应用，解决长期稳定性和规模化制备的挑战。通过多学科交叉创新，DES技术有望为全球碳减排目标提供关键技术支撑。