Impact of Hydrogen Bonds on CO2 Binding in Eutectic Solvents: An Experimental and Computational Study toward Sorbent Design for CO2 Capture

离子液体 乙二醇 氢键 化学 共晶体系 溶剂 吸附剂 深共晶溶剂 密度泛函理论 物理化学 有机化学 计算化学 吸附 分子 合金 催化作用
作者
Aidan Klemm,Stephen P. Vicchio,Sanchari Bhattacharjee,Eda Cagli,Yensil Park,Muhammad Zeeshan,Ruth Dikki,Harrison Liu,Michelle K. Kidder,Rachel B. Getman,Burcu Gurkan
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:11 (9): 3740-3749 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.2c06767
摘要

Choline-based amino acid ionic liquids with anions glycinate, β-alaninate, phenylalaninate, and prolinate were synthesized and mixed with ethylene glycol to form lower-viscosity benign eutectic solvents for CO2 capture. The highest capacity measured was 0.7 moles of CO2 per mole of ionic liquid (2 moles CO2 per kg solvent) for a 1 to 2 mole ratio mixture of choline prolinate to ethylene glycol at 1 bar of CO2 and 25 °C. Under 5000 ppm of CO2, half of this capacity was realized. Through a combined study of quantitative 13C NMR spectroscopy, molecular dynamics simulations and density functional theory calculations, we show that hydrogen bonding in the eutectic solvent prevents proton-transfer between prolinate anions upon CO2 absorption, which occurs in the absence of ethylene glycol and deactivates binding sites. Blocking this proton transfer leads to a higher binding capacity compared to neat choline prolinate. This work demonstrates the impact of hydrogen bonding on the CO2 binding mechanism and energetics, as well as physical and thermal properties in eutectic solvents, thus addressing an unmet need and informing future studies on the development of benign sorbents for capturing CO2 from dilute streams.
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