Elucidating the Molecular Mechanism of CO2 Capture by Amino Acid Ionic Liquids

化学 元动力学 两性离子 分子动力学 分子间力 离子液体 计算化学 从头算 离子键合 反应机理 分子 离子 有机化学 催化作用
作者
Bohak Yoon,Gregory A. Voth
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (29): 15663-15667 被引量:29
标识
DOI:10.1021/jacs.3c03613
摘要

Amino acid ionic liquids have received increasing attention as ideal candidates for the CO2 chemisorption process. However, the underlying molecular mechanisms, especially those involving proton transfer, remain unclear. In this work, we elucidate the atomistic-level reaction mechanisms responsible for carbamate formation during CO2 capture by amino acid ionic liquids through explicit ab initio molecular dynamics augmented by well-tempered metadynamics. The resulting ab initio free-energy sampling reveals a two-step reaction pathway in which a zwitterion, initially formed from the reaction between the anion of serine and CO2, undergoes a kinetically facile intermolecular proton transfer to the O atom of the COO- moiety in the nearby serine. Further analysis reveals that the significantly reduced free-energy barriers are attributed to enhanced intermolecular interaction between the zwitterion and serine, thus facilitating the kinetic favorability of the proton transfer, which governs the overall CO2 capture mechanism. This work provides valuable insight into the important mechanistic and kinetic features of these reactions from explicit condensed phase ab initio MD free-energy sampling of the CO2 capture process.

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