一 研究意义

近些年来，人们对离子液体的研究越来越深入，发现离子液体具有很多优良的物理化学性质。离子液体不仅对于许多有机物和无机盐具有良好的溶解性，而且离子液体具有难挥发，不可燃，粘度大，性质稳定的性质⁽¹⁾，可用于电化学研究，以此来作为电池的电解液，减轻放电，降低温度，用于研发新的高性能电池，。离子液体可用于氢化反应，傅-克反应，Heck反应，Diels-Alder反应，不对称催化等，重要的是还可以对CO₂进行捕集吸收，因为离子液体对于CO₂具有良好的吸收性能，所以被认为是最具潜力的捕集CO₂的新材料之一⁽²⁾。

目前负载离子液体吸收剂以及支撑离子液体膜被广泛应用。而这类体系往往涉及离子液体与固体表面的接触，而这些固体表面往往具有多孔结构，这也就导致了被负载的离子液体处于受限条件。近些年来，人们对离子液体的本身性质研究已经非常具体⁽³⁾。但是发现离子液体在受限条件下很多与体相离子液体不同的特殊现象⁽⁴⁾。比如，Close⁽⁵⁾等发现支撑在氧化铝纳米孔道中的离子液体的CO₂渗透率要比体相提升4倍。Hung⁽⁶⁾等发现受限离子液体的扩散比体相离子液体的要快，而这些取决于离子液体的担载量和纳米材料的孔尺寸的大小。Shi⁽⁷⁾等人研究了受限在25-45埃的氧化硅裂孔中的离子液体行为，发现其摩尔体积要比非受限条件下离子液体的的摩尔体积大12-31%，并且吸收的CO_2,N_2,H₂量是非受限条件下的1.1到3倍。并且这些气体的自扩散系数也要比非受限条件下的高到2-8倍。这些结果都表明，当固体表面被引入之后离子液体的传递性质以及对CO₂的捕集性能可能会产生很大的影响，离子液体的应用也因此呈现出了新的潜力。通过以上研究我们发现壁面性质影响与流体分子间的相互作用，从而影响其结构和性质。离子液体与固体载体界面结构是影响气体在受限条件离子液体当中溶解行为的重要因素，其复杂性以及离子液体的介入导致了该方面的系统研究极为有限。这也就导致了受限效应带来的离子液体的气体吸收容量和传递性质变化的可能机制尚不清楚。例如，受限效应的影响因素有哪些，界面到底是怎么影响的，这些问题对于指导离子液体的应用以及离子液体技术用于气体分离过程的优化非常重要，急需解决。

课题组以前研究利用分子模拟手段考察了CO₂，CH₄等流体在碳纳米管和多孔炭等材料当中吸附，以及水分子和水溶液中离子等受限条件下的扩散机理⁽⁸⁾。通过以上模拟研究发现，流体的受限行为与多孔材料的结构和表面性质有关。目前对于体相的离子液体的分子模拟，往往集中于对其热力学及其结构上面进行分析⁽⁹⁾，以此来指导合成新的离子液体，Edward等在这方面做了大量的工作，其课题组在这方面的研究非常广泛，也提供给了我们很多有用的力场参数。其中，Wei⁽⁸⁾曾模拟了水在TiO₂狭缝当中一系列的性质与行为，Kavathecar⁽¹⁰⁾等也模拟了水在不同TiO₂晶面以及锐钛矿不同晶面上的结构性质的变化以及密度分布情况。Weber⁽¹¹⁾等研究了离子液体吸附在锐钛矿上面之后，离子液体与锐钛矿表面之间的相互作用以及电荷分布等情况，而且还就离子液体与TiO₂模型的搭建进行了研究⁽¹²⁾。所以后期拟采用不同的TiO₂晶面作为界面，来进行受限离子液体的模拟。希望通过此种模拟手段来解释探究受限效应所带来的吸收容量和传递性质变化背后的机制机理，以期能够找到影响因素以及界面到底是如何影响离子液体吸收CO₂的。

综上，离子液体已经被用于负载离子液体吸收CO₂以及支撑离子液体膜，因此时，液膜厚度减少到纳米级别时候，宏观规律已经不能适用，离子液体与固体表面会产生相互作用占据了主导作用，所以这个时候对离子液体表界面相关性质研究具有重要意义。

二 国内外研究现状

国内外研究动态及发展动态分析

1.1体相离子液体的MC（蒙特卡洛）和MD（分子动力学）模拟

MC模拟更集中于体相离子液体吸收二氧化碳的分子模拟，其中Ramdin等研究了CO₂和CH₄，N₂，H₂S，H₂离子液体酰亚胺当中的溶解情况，着重比较了气体在离子液体当中的溶解度，其研究发现CO₂等气体和C₂H₆在[hmim][Tf₂N]当中的溶解度在压力处于中低压的时候与实验结果吻合的比较好，而且点明了合成气脱硫应该在二氧化碳除去之前，因为H₂S的溶解度较高⁽¹⁷⁾。 Maginn⁽¹⁸⁾等模拟了水和二氧化碳在离子液体界面的吸收情况，最终研究发现水被完全吸收进了ILs当中，那么最终这也降低了二氧化碳和离子液体的扩散，但是水对于CO₂在界面处的传递动力学并没有什么特殊影响。Zhang⁽⁹⁾等探究了影响离子液体粘度的因素，研究发现离子液体阳离子的碳链越长，其粘度越大，而且也探究了离子液体阴阳离子的结构对离子液体相关动力学性质也有较大的影响。

对于体相离子液体的模拟，集中于对其相关热力学性质的模拟计算，比如热导率，热容，当然涉及密度的计算，并与实验数据相对比。Tenny等对九种不同的离子液体进行了MD模拟计算，计算了纯体相离子液体的密度，粘度，热导率，热容等相关性质，并且与实验上面进行了对比，为我们提供了一系列纯体相离子液体的模拟的有用的参数与数据⁽¹⁾。Liu等针对阴离子为[Tf2N]的一系列离子液体展开了MD模拟，并且进行互相对比，其研究发现当温度上升的时候离子液体的密度呈现下降趋势，而其热容则是呈现上升趋势。粘度也是随着温度的升高而下降，其最终模拟研究结果与实验上面进行了对比，发现在允许误差范围之内。