基于离子液体修饰的树枝状纳米二氧化硅负载Lu2CrMnO6催化炔丙胺与CO2高效合成2-噁唑烷酮的研究

本研究针对CO2转化利用难题，开发了新型Lu2CrMnO6@IL-DFNS催化剂，通过离子液体(IL)修饰的树枝状纳米二氧化硅(DFNS)载体，实现了炔丙胺与工业废气CO2在温和条件下高效合成2-噁唑烷酮（收率98%）。该工作为CO2资源化利用提供了绿色催化方案，兼具高活性、易回收和环境友好特性。

　　

随着全球碳中和目标的推进，如何将工业排放的CO₂转化为高附加值化学品成为研究热点。其中，2-噁唑烷酮作为重要的氮杂环化合物，在医药和材料领域应用广泛，但传统合成方法存在使用有毒试剂、反应条件苛刻等问题。更棘手的是，CO₂分子固有的化学惰性使其转化需要高活性催化剂和大量能源输入。针对这些挑战，研究人员开发了一种创新解决方案——通过设计新型纳米催化剂实现CO₂的高效活化与转化。

该研究发表在《Journal of CO2 Utilization》上，报道了一种基于离子液体修饰的树枝状纳米二氧化硅负载Lu₂CrMnO₆双钙钛矿的复合催化剂（Lu₂CrMnO₆@IL-DFNS）。研究人员采用深共晶溶剂调控法构建具有三维分级结构的二氧化硅载体，通过共价嫁接将含DABCO（1,4-二氮杂二环[2.2.2]辛烷）的离子液体固定在DFNS表面，再负载Lu₂CrMnO₆纳米颗粒。关键技术包括：深共晶溶剂合成DFNS载体、离子液体功能化修饰、双钙钛矿原位负载，以及采用高压反应釜进行CO₂固定化反应。

【研究结果】

1. 催化剂表征：TEM显示DFNS呈现30-40 nm的纤维状结构，Lu₂CrMnO₆纳米颗粒（15-25 nm）均匀分布；XRD证实双钙钛矿的六方相（LuMnO₃）和正交相（LuCrO₃）共存；BET测试显示复合材料保持367 m²/g的高比表面积。

2. 反应优化：通过Taguchi方法确定最佳条件为100°C、2.5 MPa CO₂压力、水溶剂和30分钟反应时间，转化率达98%，显著优于传统银基催化剂（需60小时）。

3. 底物拓展：含给电子基（-OCH₃）、吸电子基（-NO₂）及空间位阻基团的炔丙胺均能高效转化，证明催化剂普适性。

4. 机理研究：动力学分析显示反应符合准一级动力学，活化能为63 kJ/mol；IL中的-NH₂基团促进CO₂化学吸附，双钙钛矿提供活化位点。

5. 稳定性测试：10次循环后催化剂活性保持90%以上，ICP-MS证实Lu₂CrMnO₆负载量仅从3.2%降至3.0%，远优于未修饰样品。

这项研究的突破性在于：首次将双钙钛矿材料应用于CO₂-炔丙胺环化反应，通过DFNS的纤维状结构暴露更多活性位点，离子液体修饰则有效防止纳米颗粒团聚。相比文献报道的贵金属催化剂（如AuCl体系），该方案成本降低80%以上，反应时间缩短至30分钟，且可直接利用工业废气CO₂。从可持续发展角度看，这项工作不仅为CO₂资源化利用提供了新思路，其"载体设计-界面调控-性能优化"的研究范式对开发其他环境催化材料也具有重要借鉴意义。未来通过调控双钙钛矿的B位金属组成（如Cr/Mn比例），有望进一步拓展该催化剂在C-N键形成反应中的应用范围。