氟域诱导离子液体中超高氮溶解度
长期以来，高效的N2捕获和利用一直是可持续研究追求的核心。然而，N2的非极性和在水性介质中的有限溶解度阻碍了其发展。离子液体（ILs）因其独特的性质，在提高N2溶解度方面极具优势，但潜在机制尚未得到充分探索。
2024年8月2日，中国科学院过程工程研究所何宏艳研究员等采用大规模分子动力学模拟和自由能微扰方法，研究了N2在11种传统ILs和9种氟化离子液体中的溶解度。结果表明，N2在[Emim]FAP氟化ILs中溶解度最大，约为传统ILs[Emim]NO3的118倍。此外，含有10个以上C-F键的氟化ILs比其他ILs具有更高的N2溶解性，并且在溶剂化过程中呈现放热特性。随着ILs中C-F键数量的减少，N2溶解性显著降低，并表现出相反的吸热行为。为了解释氟化ILs中超高的N2溶解性，研究提出了氟致密化能（FDE）这一概念，它指的是含氟区域的ILs中单位体积内原子间相互作用的平均强度，且与C-F键呈现线性关系。从物理角度来讲，较低的氟致密化能会导致较低的N2-阴离子对解离能以及更高的自由体积，最终增强了N2溶解性。因此，极性环境中的中长烷基氟尾定义了一个独特的氟区域，凸显了氟致密化能在增强N2溶解性方面的作用。总体而言，这些定量结果不仅会加深对ILs中N2溶剂化的理解，还可能为基于ILs的高性能N2捕获及转化技术的合理设计提供思路。
图1 C-F键修饰的离子液体阴离子产生氟域以提高N2溶解度的图示
来源：Kun Li, Yanlei Wang*, Chenlu Wang, et al., Fluorine domains induced ultrahigh nitrogen solubility in ionic liquids. Journal of the American Chemical Society, 2024, 146, 25569-25577.
