氢键稳定胺基混合物：高效二氧化碳捕获的新策略

《Journal of CO2 Utilization》：Hydrogen bond-stabilized mixtures for efficient carbon dioxide capture

本研究针对传统胺基溶剂在CO2捕获中存在的高挥发性和能耗大等问题，开发了氢键稳定胺基混合物（HBSMs）新型吸收体系。研究人员通过将正丁胺与甘油或盐酸胍复合，系统评价了其CO2捕获性能、吸收机理和溶剂稳定性。结果表明，HBSMs不仅显著提高了CO2吸附容量（正丁胺/甘油体系的摩尔吸附量达0.54 mol CO2/mol ButNH2），更将胺挥发率降低了近两个数量级（从27%/min降至0.60%/min）。该研究为开发低能耗、高稳定性的碳捕获技术提供了新思路，对推动CO2捕获技术的工业化应用具有重要意义。

　　

随着工业革命的推进，全球平均温度持续上升，这主要归因于大气中温室气体浓度的增加，其中二氧化碳（CO₂）是最主要的贡献者。化石燃料的燃烧释放出大量CO₂，引发了日益严峻的环境问题。尽管现代社会对能源的需求不可避免，但减少碳排放已成为当务之急。在这一背景下，碳捕集、利用与封存（CCUS）技术应运而生，成为减少大气CO₂浓度的有效手段。

目前，CO₂捕获技术主要包括吸收、吸附、低温分离和膜分离等。其中，化学吸收法，尤其是胺基溶剂（如单乙醇胺MEA）吸收法，因其高反应活性和经济性而被广泛应用。然而，传统胺基溶剂存在高挥发性、毒性大、腐蚀性强、再生能耗高等缺点，限制了其大规模应用。为解决这些问题，研究人员开始探索更环保、高效的替代溶剂，如离子液体（ILs）、低共熔溶剂（DESs）和液态聚合物（LPs）等。

近期，一种新型的氢键稳定胺基混合物（Hydrogen Bond-Stabilized Mixtures, HBSMs）引起了研究人员的关注。这类体系通过构建扩展的氢键网络，既能保持胺基的高CO₂捕获能力，又能显著降低溶剂的挥发性。本研究由Joaquín Arata Badano、Giuseppe Ferraro、Daniele Motta、Claudia Barolo、Sergio Bocchini、Jorge Gustavo Uranga和Matteo Bonomo共同完成，旨在系统评估正丁胺（n-butylamine, ButNH₂）与甘油（glycerol, Gly）或盐酸胍（guanidinium chloride, GuaHCl）形成的HBSMs在CO₂捕获中的性能与机理。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过核磁共振氢谱（¹H NMR）和衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）对混合物进行结构表征；利用热重分析（TGA）和差示扫描量热法（DSC）评估其热稳定性；采用重量法测定CO₂吸收容量；通过原位ATR-FTIR监测CO₂吸收/解吸过程；并利用TGA-IR联用技术分析挥发物成分。

3.1. 溶剂混合物表征

通过¹H NMR和ATR-FTIR分析，确认了各混合物的成功合成及其主要官能团。TGA结果表明，与纯正丁胺相比，HBSMs的热稳定性显著提高，胺的挥发率大幅降低。DSC分析显示，这些混合物在低温下仍保持液态，具备低共熔溶剂的特征。

3.2. 二氧化碳吸收量化

CO₂吸收实验显示，纯正丁胺的捕获量为20.44%（w/w），而正丁胺/甘油（1:2）混合物的摩尔捕获量提升至0.54 mol CO₂/mol ButNH₂，表明甘油的存在增强了胺的CO₂捕获能力。盐酸胍/甘油体系则主要通过物理吸附捕获CO₂，捕获量较低。

3.3. 吸收/解吸与蒸发效应评估

ATR-FTIR分析表明，胺基混合物的CO₂捕获主要通过化学吸收实现，形成了羧酸盐和氨基甲酸盐等产物。而在甘油基混合物中，CO₂捕获以物理吸附为主，吸收过程可逆。蒸发实验显示，正丁胺/甘油混合物的挥发率仅为0.60%/min，较纯胺（27%/min）降低了近两个数量级。

本研究通过构建氢键稳定胺基混合物，成功实现了CO₂捕获效率与溶剂稳定性的双重提升。正丁胺/甘油体系不仅显著提高了CO₂吸附容量，还大幅降低了胺的挥发性，为开发低能耗、高稳定性的碳捕获技术提供了新思路。该研究成果发表于《Journal of CO2 Utilization》，对推动CO₂捕获技术的实际应用具有重要意义。未来研究可进一步探索这些混合物在直接空气捕获（DAC）等领域的应用潜力，并评估其长期稳定性与再生效率。