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研究内容

(1)离子液体介尺度基础研究

 

  基于对离子液体微观本质长期的理论和实验研究的积累,形成了对离子液体介尺度结构的基本认识。离子液体中存在着特殊的作用力Z键,其诱导了非常复杂的纳微结构,采用量子化学软件对典型亲/疏水性离子液体对形成Z键结构的构型进行了优化对比,并对离子对的能量进行了SAPT分解,通过分析Z键能量在静电能、诱导能、色散能、交换能等不同组分的比例,以及离子对之间电荷转移的变化,获得了离子液体中特殊作用力Z键的本质特征。通过对Z键的能量和结构分析,发现常规的LJ作用和静电作用,无法精确的表达离子液体中Z键连接的阴阳离子间的相互作用,我们使用一种新的包含角度的模型,来表达离子液体中的Z键相互作用,建立了包含Z键的分子力场,用以研究离子液体在实际应用体系的三维动态结构以及变化规律。采用分子动力学模拟的方法,深入研究了离子簇在水溶液中团簇形貌的变化规律以及形成过程中的控制机制。通过对整个体系中各类原子,以及分子之间的相互作用进行细致的分解,把体系中导致簇聚集的作用力和抑制簇形成的作用力给划分开来,发现了离子簇形成过程中驱动力的来源,对其中阴阳离子不同基团在离子簇形成过程中的作用和机制有了较为全面的认识。


(2)新型反应器及工程放大规律


  离子液体因其具有极低的蒸汽压、极高的气体吸收容量、结构功能可设计及腐蚀性低等优势,在气体分离等领域展现了良好的应用前景,但是作为设备/过程放大理论基础的流动和传质规律研究很少,针对离子液体进行反应器设计的研究几乎没有报道,这成为离子液体用于气体分离技术工业化应用的主要瓶颈之一。针对这一现状,实验室对离子液体中气泡行为进行了实验和模拟研究,可以从理论上加深和拓展对全离子型介质的认识,为离子液体用于气体分离的工业化应用提供重要的支撑。


(3)离子液体催化生产碳酸酯/乙二醇工艺


  碳酸酯广泛用于电子、汽车、军工等行业,乙二醇主要用于聚酯纤维及树脂的生产,针对现有工艺流程复杂、能耗高、经济性差的缺点,开发了离子液体催化醇解生产碳酸酯/乙二醇的高效清洁新工艺。该工艺具有原子经济性高,“三废”排放少,工艺简单等特点,是碳酸酯生产方法中最具有应用前景的技术。更重要的是该工艺进一步丰富了环氧化合物的下游产品,形成了完整的乙烯衍生物产业链,将在碳酸酯/乙二醇生产中占据主导地位。因此,开发离子液体催化合成碳酸酯/乙二醇成套新工艺具有重要意义。

  与江苏奥克化学有限公司合作建立了国内外首套3.3万吨/年离子液体固载催化生产碳酸酯/乙二醇工业装置,2018年1月22日拟开工投产。


(4)离子液体催化生产异辛烷绿色烷基化新技术


  实验室针对以醚后C4为原料生产异辛烷的烷基化新技术,建立了离子液体催化剂规模制备装置,实现了工业催化剂生产;以小试实验数据为基础,完成了百吨级侧线装置的工艺包设计,并进行了建设、安装调试,于2014年5月成功建成了100吨/年离子液体催化烷基化生产侧线装置,实现了装置的正常运转并取得了良好的运行结果,7月通过了河南省中国科学院科技成果转移转化中心组织的验收。在此基础上,设计开发了20万吨工艺包,并优化改造了盛源集团20万吨装置,于2014年底实现了生产异辛烷工业烷基化装置的成功稳定运行,形成了具有自主知识产权的成套技术。


(5)分子工程指导下的电化学储能


  以分子模拟为指导,与实验紧密结合,在开发离子液体电解液的基础上,实验室进一步把研究领域拓展至锂离子电池负极材料、锂离子型电容器电极材料、电极/电解液相互作用及储能器件的层面。

  电解液研发方面,实验室在前期通用锂离子电池产品电解液的基础上进一步开发了高压电解液与钛酸锂防胀气电解液,在优化的电解液体系中,自行开发的离子液体添加剂可在电极材料表面形成稳定的保护膜,从而改善电极/电解液界面稳定性,提升循环性能。实验室开发的高压电解液用于国内某知名动力电池企业的镍锰酸锂||钛酸锂圆柱电池,电池循环2000次容量无明显衰减。电解液技术在河南建立了5000吨/年的生产线,产品目前在数十个电池厂家得到了推广应用。

  在电极材料方面,设计和制备了系列具有纳米结构、良好电化学性能的过渡金属氧化物(TMO)和Si基复合材料,比较典型的包括Si/C复合材料修饰的纳米阵列结构Co3O4,其比容量、循环稳定性较未修饰前均有较大幅度的提升;进一步制备了根须仿生结构的ZnxCo3-xO4,其具有比容量高、倍率性能好等特性;而采用溶剂热法制备的TMO-纳米碳(NC)复合材料则在电容器中有非常优异的性能,以图4中的TiO2/NC复合材料为例,其与实验室自行开发的离子型凝胶电解质联用,充电电压上限可达4.0V,优于目前超级电容器普遍采用的2.7或3.0V的截止电压,器件的能量密度也由此获得了大幅度的提升,目前实验室所制备的离子凝胶非对称电容器能量密度达59Wh/kg,功率密度达17.3kW/kg。

  新型电池结构设计方面,实验室还开发了一种基于“自稳定”浆料的锂硫液流电池,其具有工艺简单、成本低廉等特点,且能量密度较全钒液流电池有较大的提高,可达400Wh/L。目前此电池处于小试阶段,完成安全性验证后将做进一步放大。


(6)基于离子液体法的气体分离新技术


  1)离子液体法含氨尾气净化及NH3综合回收研究

  工业上对于含氨尾气的处理标准越来越高,现有的方法存在诸多的问题,本项研究旨在为工业解决含氨尾气的净化处理提供一种新的思路。离子液体是一种室温下呈液态的盐,具有诸多优良的性质,在气体分离方面具有很广泛的应用前景。在实验室设计合成了系列常规离子液体、布朗斯特酸性离子液体以及质子型离子液体,研究结果表明,质子型离子液体具有很高的氨气吸收量(在40℃,100kPa条件下,可以吸收2.69molNH3/molIL),并且可以循环使用,完成了实验室装置连续评价实验,将在金堆城钼业股份有限公司建成一套处理气量1.3亿Nm3/年的装置,具有很好的工业化潜力。


  2)离子液体法低能耗捕集分离IGCC变换气中CO2实验研究

  针对全球气候变暖,低能耗捕集分离化石燃烧尾气及化工过程中的CO2成为全球的热点问题。离子液体由于其高CO2吸收量,低解吸能耗备受研究人员重视。本研究搭建了一套气体吸收解吸连续运行评价装置(2.0Nm3/h),将离子液体型吸收剂应用到IGCC变换气中CO2脱除的实验并验证其能耗,结果表明离子液体型吸收剂较常规有机胺吸收剂再生能耗可降低17.4%。


(7)基于离子液体的废旧PET降解新技术


  PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)作为一种多用途热塑性聚酯,具有非常广泛的应用价值。随着经济的发展和人民生活水平的不断提高,废旧PET的废弃量持续增加。据统计,在聚酯生产与加工过程中约有3-5%将成为废料,并且大量使用的PET产品多为一次性消费品,用过即被废弃,所以废旧PET的排放量十分巨大。由于废旧PET具有质量轻、体积大和自然分解困难等特点,因此,大量废旧PET的直接排放,不仅造成了严重的环境污染,而且带来了巨大的资源浪费。作为我国的首都,北京市是PET是消费的重点城市,如果不处理好,将会给城市带来巨大的污染。因此,废旧PET的回收再利用意义重大,不但可以减少环境污染,而且能够延长资源的利用周期,节约生产原料,在环境友好及节约资源等方面产生巨大的社会和经济效益。实验室开发了基于离子液体的废旧PET回收技术,该技术以醇类试剂为溶剂,新型离子液体和固体盐等为催化剂,在常压,温度较低的条件下,快速高效的实现废旧PET聚酯的降解,同时离子液体又可重复使用,减少因挥发而带来的溶剂、催化剂损失,为其他聚酯废料和泡沫塑料提供了可借鉴的高效降解新方法与新技术,具有明显的技术经济性和重大的社会环保效应,并且该技术是目前世界上唯一应用离子液体做催化剂并且实现规模为千吨级示范的新技术,还可推广应用到其他气体中的高分子降解,如PET混纺纤维等的降解分离回收,为实现我国及首都北京的循环经济和可持续发展的目标提供重要的科技支撑。

 

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