基于物理与热力学性质评估的节能型低共熔溶剂设计及其CO2捕集性能研究

本研究针对化石燃料燃烧导致的CO2排放问题，系统评估了102种低共熔溶剂(DESs)的物理与热力学性质，筛选出以四辛基溴化铵/四丁基溴化铵为受体、癸酸为供体的DES 34-37体系，其密度(0.973–1.010 g/cm3)、摩尔自由体积(148–212 cm3/mol)及溶解焓(-10.5–11.6 kJ/mol)等指标优异，为开发节能型CO2捕集技术提供了理论依据。

　　

随着全球能源需求激增，化石燃料燃烧导致的CO₂排放已成为气候危机的核心问题。国际能源署(IEA)数据显示，2023年能源相关CO₂排放增长1.1%，若不采取有效捕集措施，2050年排放量将达当前130%。传统胺类溶剂虽广泛用于工业捕碳，但存在腐蚀性强、再生能耗高及挥发性污染等问题。离子液体(ILs)虽具热稳定性高、可设计性强等优势，却受限于合成复杂、成本高昂及粘度大等缺陷。在此背景下，低共熔溶剂(DESs)作为新一代绿色溶剂，通过氢键供体(HBD)与受体(HBA)的简单组合，兼具ILs的物化特性和合成简便、可生物降解等优势，成为CO₂捕集领域的研究热点。

Rajiv Gandhi石油技术研究所联合北方邦科学技术委员会的研究团队，在《Journal of Molecular Liquids》发表论文，通过系统评估102种DESs的物理与热力学性质，建立了DESs分子结构与CO₂捕集性能的构效关系。研究采用改进的Lydersen-Joback-Reid法计算临界参数，结合基团贡献法估算密度与折射率，利用Lorentz-Lorentz关系推导摩尔自由体积，并通过Clausius-Clapeyron方程和Gibbs自由能方程解析溶解热力学。机器学习模型（随机森林与梯度提升）进一步揭示了物化参数与CO₂溶解度的非线性关联。

关键研究发现

1. DESs筛选与结构特征：酸供体基DESs表现出更低密度(0.973–1.010 g/cm³)和更高摩尔自由体积(148–212 cm³/mol)，其中四辛基溴化铵/癸酸体系(DES 34-37)的亨利常数(7.48–9.41 MPa)和溶解焓(-10.5–11.6 kJ/mol)显示最优能量效率。
2. 热力学机制：长烷基链HBA/HBD组合通过增大临界体积(V_cDES)和温度(T_cDES)，显著提升CO₂溶解度，而酸性供体可降低溶解熵变，减少再生能耗。
3. 机器学习预测：V_cDES、T_cDES与V_free被确定为CO₂溶解度的关键预测因子，梯度提升模型对非线性关系的捕捉精度达92%。

研究意义
该工作首次将DESs的临界参数与自由体积理论相结合，阐明长链烷基结构与酸性供体协同增强CO₂物理吸收的机制。相比传统胺法，优选DESs可降低70%气候治理成本，为碳中和目标下的大规模碳捕集提供了溶剂设计范式。未来研究可拓展至多组分DESs体系及工业烟气条件下的性能验证。