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二氧化碳(CO2)是主要温室气体之一,同时CO2亦可作为丰富、绿色可再生的Cl资源。如何实现CO2的高效分离与转化具有重要的理论和现实意义,也是当前绿色化学研究领域中的重大挑战之一。由于CO2分子热力学上的稳定性及动力学上的惰性,要实现CO2的化学转化,就必须将CO2先活化,这也是本论文研究的核心内容之一。与此同时,二氧化硫(SO2)是一种常见的大气污染物,主要来源于化石燃料的燃烧,其过度的排放会对自然环境及人体健康造成严重危害。发展高效绿色的吸收剂将SO2捕集、并转化为附加值的化学品成为当前亟待解决的另一科学难题。本文立题于CO2和SO2的转化,首先综述了当前二者化学转化的主要方法,其后围绕着CO2的活化及后续转化开展了相关研究工作;同时也发展了基于离子液体捕集SO2及其原位转化的新方法,具体研究内容如下:(1)CO2加氢制备大宗化工原料甲酸是CO2绿色转化的途径之一,但该过程需同时活化惰性的H2和CO2分子,其在催化领域一直是一个富有挑战的课题。我们首次设计环烷基(氨基)卡宾铜/Lewis酸碱对催化体系,通过二者之间的协同作用实现了 CO2的加氢还原,其催化活性高于现已报道的同类型铜基催化剂。尤其地,通过当量催化反应,证实了卡宾铜/Lewis酸碱对分别活化CO2和H2重要机制。研究成果为CO2加氢催化剂的设计提供了重要的理论参考,同时也丰富了廉价金属铜在CO2加氢反应领域中的应用。(2)无过渡金属催化CO2加氢反应一直是催化领域中的一大挑战。受Lewis酸碱对能够活化H2的启发,我们利用Lewis酸B(C6F5)3和无机碳酸盐形成的加合物催化CO2加氢还原,首次发展了一种无过渡金属参与的CO2加氢反应方法。催化实验表明Lewis酸/碱对复合物能够作为有效的CO2加氢催化剂,反应的TON值可达3941。结合当量反应和理论计算的结果,揭示了H2和CO2的活化机制。研究成果丰富了 Lewis酸碱对在催化领域的应用,也为无过渡金属参与的CO2催化加氢过程提供了新的策略。(3)氨硼烷(BH3NH3)作为优良的储氢材料,依靠其优良的水溶性和还原性能,我们发展了温和条件下BH3NH3为还原剂的水相CO2还原过程。研究表明碱能够促进反应,通过快速固定CO2为碳酸氢盐中间体,随后被BH3NH3还原为甲酸盐,整个过程不需要任何的催化剂,而且相较于含氢硼烷参与的CO2硼氢化反应具有更高的原子经济性。受该反应机制的启发,我们也成功拓展了 BH3NH3将碳酸氢盐或碳酸盐还原成甲酸盐的过程。(4)鉴于BH3NH3能够将C02还原为甲酸盐,我们继续立足于温和条件下CO2的活化与转化。首次实现了无催化剂下以BH3NH3为还原剂、CO2为C1源的胺选择性氮甲酰化。实验得出氮取代酰胺的产率可达96%,同时对底物(仲胺、伯胺、芳香胺和脂肪胺)具有优良的官能团兼容性。反应经历了 BH3NH3将CO2还原为硼甲酸盐,以此实现对CO2分子的活化,随后生成的硼甲酸盐作为反应的中间体与胺反应生成氮取代酰胺。(5)C02和甲醇直接合成碳酸二甲酯(DMC)是C02另一绿色转化的途径。我们基于咪唑类离子液体的特性,我们设计合成了咪唑碳酸氢盐离子液体作为可回收的催化剂和脱水剂,用于催化CO2和甲醇直接在温和条件下合成DMC。催化实验和理论计算结果表明,咪唑类离子液体以氮杂环卡宾CO2加合物的形式活化CO2,这种CO2加合物能够快速的水解,形成咪唑碳酸氢盐,以此脱水促进DMC的生成。该项研究为CO2温和条件下转化为DMC所需催化剂和脱水剂的设计提供了参考,同时也为CO2和甲醇直接合成DMC提供了新的方法。(6)醚基功能化的离子液体具有高的SO2吸收容量,但此类离子液体通常具有高的价格和粘度,且制备过程繁琐。为了规避现有醚基功能化离子液体的缺点并放大其优点,我们设计合成了兼具吸收容量高、粘度低、易合成、且价格便宜的双醚基功能化质子型离子液体用于SO2的捕集和转化。实验表明,每摩尔离子液体对SO2的吸收容量高达6.12 mol,且吸收后的SO2也能容易地转化为环状亚硫酸酯。尤其地,这些双醚基功能化的质子型离子液体也能够作为催化剂用于催化SO2和环氧化物之间的加成反应。(7)利用低共熔溶剂对S02具有良好的亲和性,我们设计合成咪唑/酰胺类低共熔溶剂用于SO2的高效可逆捕集,每克吸收剂对SO2的吸收量高达1.39 g,并在此基础上发展了以低共熔溶剂为介质的液相Claus反应,以此实现SO2捕集后的原位转化。实验表明,当H2S略过量时,反应在室温下SO2即可完全转化,通过固液分离即可获得高纯度的硫磺并再生低共熔溶剂,且整个过程无需添加任何催化剂。