在乙二醇中对胆碱赖氨酸盐（[Cho][Lys]）进行深入表征，以优化二氧化碳捕获条件

《Journal of Molecular Liquids》：In-depth characterization of choline lysinate ([Cho][Lys]) in ethylene glycol for optimized CO? capture conditions

以乙二醇为共溶剂的氨基酸离子液体[Cho][Lys]在25%、33%、50%浓度下对CO?吸附性能研究表明，33%溶液在4.45%质量吸收率下兼顾稳定性与能耗优势，25%溶液虽吸收率略低但能耗最低，50%浓度因沉淀问题不适用，乙二醇有效降低粘度并提升热稳定性，为工业级可持续碳捕集提供新方案。

　　在当前全球气候变化日益严峻的背景下，碳捕集与封存（CCS）技术被广泛视为实现碳中和目标的关键手段之一。随着工业排放量的持续增长，特别是来自主要工业化国家如美国、中国、欧盟和日本的排放占比超过76%，推动高效、可持续的碳捕集技术成为国际社会的共同责任。传统上，CCS技术主要依赖于化学吸收法，其中最常用的是基于醇胺的溶液，如单乙醇胺（MEA）、甲基二乙醇胺（MDEA）和三乙醇胺（TEA）。然而，这些传统溶剂在实际应用中面临诸多挑战，包括高能耗、腐蚀性以及氧化降解倾向等。例如，MEA在溶剂再生过程中需要约3.58 GJ每吨二氧化碳的能耗，这成为其大规模应用的主要障碍。

面对这些问题，近年来研究者们将目光转向了离子液体（ILs）。离子液体作为一种有机熔盐，通常具有低于100°C的熔点，表现出低蒸气压、高热稳定性和可调节的结构特性等优点。这些特性使其在许多工业应用中具有替代传统溶剂的潜力。在离子液体中，其稳定性主要由阳离子决定，而功能特性则更多地依赖于阴离子的选择。因此，开发具有优异性能的离子液体，特别是那些来源于可再生资源且具备生物相容性的种类，成为当前研究的热点。

本研究聚焦于一种由胆碱（choline）作为阳离子、赖氨酸（lysine）作为阴离子的离子液体——胆碱赖氨酸盐（[Cho][Lys]），并探讨其在乙二醇（EG）溶液中的表现。胆碱是一种天然存在的季铵化合物，广泛存在于生物体中，参与细胞膜结构的维持和多种生理过程的调控。与传统的咪唑??和吡啶??基离子液体相比，基于胆碱的离子液体在毒性和环境友好性方面表现出明显优势。此外，这类离子液体可以通过使用商业可得且可再生的前体材料进行合成，无需使用有毒溶剂，进一步增强了其在可持续发展方面的吸引力。

在本研究中，我们采用乙二醇作为共溶剂，以改善[Cho][Lys]溶液的物理化学性质。乙二醇不仅具有低毒性和良好的生物降解性，还表现出较低的挥发性，使其在工业应用中更加稳定。此外，乙二醇与离子液体的兼容性有助于提升其在CO?捕集过程中的性能。与DMSO等传统共溶剂相比，乙二醇在[Cho][Lys]混合体系中展现出更好的相稳定性，避免了因分解而导致的沉淀现象，从而提升了整个系统的可持续性和操作稳定性。

为了全面评估[Cho][Lys]在乙二醇中的表现，我们研究了不同浓度（25%、33%和50%）下的物理化学性质和CO?吸收性能。结果显示，50%浓度的[Cho][Lys]溶液虽然具有最高的CO?吸收容量，但其在吸收后容易形成沉淀，这限制了其在工业中的应用。相比之下，33%浓度的溶液表现出最佳的综合性能，其CO?吸收能力达到4.45%（按重量计算），并且在老化条件下仍能保持结构稳定性和良好的热稳定性。此外，该浓度的溶液在30°C时表现出适中的粘度，既不会影响CO?的扩散效率，又不会导致操作过程中的高能耗。

在25%浓度的[Cho][Lys]溶液中，其粘度显著低于33%和50%浓度的溶液，这使得其在溶剂循环和再生过程中所需的能量更低。尽管其CO?吸收能力略低于33%浓度的溶液，但其优越的能量效率使其成为大规模工业应用的理想选择。这种平衡使得25%浓度的[Cho][Lys]溶液不仅在吸收性能上具有竞争力，还在实际操作中表现出更高的可行性。

通过采用多种分析手段，如衰减全反射红外光谱（ATR-IR）和热重分析（TGA），我们进一步验证了[Cho][Lys]溶液在CO?捕集过程中的化学反应机制。ATR-IR光谱显示，在CO?吸收过程中，溶液中形成了碳酸盐类化合物，这表明[Cho][Lys]能够有效与CO?发生反应，生成稳定的吸收产物。TGA分析则揭示了溶液在不同温度下的热稳定性，为评估其在高温条件下的适用性提供了重要依据。

此外，我们还探讨了不同浓度下溶液的结构特性。研究发现，胆碱阳离子在维持溶液结构稳定性方面发挥了重要作用，它通过形成强的O–H···O?氢键与赖氨酸阴离子相互作用，从而保持离子网络的完整性。这种结构稳定性不仅有助于提高CO?吸收效率，还降低了溶液在长期使用中的降解风险。同时，乙二醇作为共溶剂，显著降低了纯[Cho][Lys]溶液的粘度，促进了离子的移动，进而提高了CO?在溶液中的扩散速度和吸收效率。

值得注意的是，尽管CO?与氨基酸离子液体（AAILs）之间的反应机制尚存争议，但本研究的结果表明，在[Cho][Lys]–EG体系中，CO?的吸收主要依赖于赖氨酸阴离子的极性和碱性特性。该阴离子含有两个氨基官能团，能够与CO?发生反应，生成碳酸盐类化合物或碳酸酸中间体。这些反应路径与已有研究中提出的其他AAILs的反应机制一致，进一步支持了本研究的结论。

本研究不仅提供了关于[Cho][Lys]–EG溶液在不同浓度下的性能数据，还为未来开发基于氨基酸的离子液体系统奠定了基础。通过评估不同浓度对CO?吸收能力、粘度和热稳定性的影响，我们明确了25%浓度的[Cho][Lys]溶液在实际工业应用中的优势。这种浓度下的溶液在吸收效率和能量需求之间实现了良好的平衡，使其成为可持续CO?捕集技术的理想选择。

在可持续发展和环境保护的双重需求下，基于生物来源的离子液体正逐渐成为替代传统碳捕集溶剂的重要方向。本研究中的[Cho][Lys]–EG体系不仅在性能上表现出色，还在环境友好性和经济可行性方面具有显著优势。通过优化离子液体的浓度，我们能够在保证高吸收效率的同时，降低能耗和操作难度，为实现高效、低能耗的CO?捕集技术提供了新的思路。

综上所述，本研究揭示了[Cho][Lys]–EG体系在CO?捕集中的潜力，特别是在不同浓度下的性能差异。25%浓度的溶液在能量效率方面表现出色，而33%浓度的溶液则在吸收能力和结构稳定性之间达到了最佳平衡。这些发现为未来开发更高效的碳捕集技术提供了重要的理论依据和实验数据支持，同时也为推动绿色化学和可持续工业实践提供了新的方向。通过进一步优化离子液体的组成和操作条件，有望实现更广泛的应用，为全球碳减排目标做出贡献。