离子液体中竞争性CO2H2O吸收的原位XPS

超碱性离子液体（SBILs）作为潜在的二氧化碳（CO₂）气体捕获剂正在被研究，然而，烟道流中H₂O的存在会抑制CO₂的吸收。Jordan Cole等人^[1]在该研究中采用原位电喷雾沉积方法将三己基四烷基磷1,2,4-三唑烷薄膜沉积在金红石TiO2（110）上，并使用原位近环境压力x射线光电子能谱（NAP-XPS）研究暴露于CO₂和H₂O下的情况。

经计算，经电喷涂后的SBIL中气体的摩尔吸收比为:CO2为0.3:1, H₂O为0.7:1, CO₂/H₂O混合物为0.9:1。两种不同深度的NAP-XPS显示，三己基四烷基磷1,2,4-三唑烷中CO₂和H₂O的竞争吸收随采样深度的变化而变化。较大浓度的CO₂在主体层中被吸收，而较多的H₂O在表面被吸收。

C1s区域和安装组件如图1所示。图2显示了所有六个阶段的N1s区域。气体混合物中H₂O的存在并不会抑制CO₂的吸收。在暴露过程中和去除气体后进行的测量表明，在整体中吸收的二氧化碳是可逆的，而在表面吸附/吸收的二氧化碳是不可逆的。

离子液体（ILs）作为目前二氧化碳捕获溶剂的绿色无毒替代品，近年来受到越来越多的关注。离子是由巨大的阴离子和阳离子对组成的液体盐，通过强大的库仑力结合在一起。IL的化学和物理性质可以通过阳离子-阴离子对进行微调。

图1 C1s区域和安装组件

图2 所有六个阶段的N1s区域

在阶段2中，将电喷涂的IL暴露于CO₂中会产生293.3 eV的气相CO₂峰未示出和288.3 eV的氨基甲酸酯峰。正如预期的那样，在第1阶段暴露于CO₂之前没有氨基甲酸酯峰值。除了0.2 eV的化学位移降至286.9 eV外，C3,5组分在暴露于CO₂时强度增加，在第三阶段气体被移除时恢复到其原始强度和BE。

同样，当去除CO₂时，氨基甲酸酯峰强度降低，但没有降为零，表明与CO₂的反应不是完全可逆的。以下，这将被称为残余氨基甲酸酯。研究表明，即使在有水存在的情况下，IL的大量沉积也可以通过加热IL来可逆地吸收CO₂。类似的SBIL厚膜已被证明可以通过泵出气体可逆地吸收和解吸CO₂。

然而，薄膜不能通过去除周围气体再生。在该的实验中只记录了一个CO₂暴露/解吸阶段，因此我们不知道多个循环将如何影响吸收和吸收的可逆性。

然而，在之前的工作中，使用原位衰减全反射-红外光谱研究了类似的SBIL中的多次CO2暴露/解吸循环。结果表明，在多次暴露/解吸循环中，氨基甲酸酯带增加，并且解吸后存在少量残留氨基甲酸酯，证实了该研究的XPS数据。

与MEA相比，它们具有高CO₂容量，非常低的挥发性，高热稳定性和较低的再生温度，使其成为理想的替代品这与文献中大块ILs的完全可逆CO₂反应相反，表明在该研究的高结构薄膜中CO₂的不可逆吸收主要归因于表面的反应。这对IL气体捕获和薄膜IL催化应用具有潜在的意义。

[1]. Cole, J.;  Henderson, Z.;  Thomas, A.;  Castle, C.;  Greer, A.;  Hardacre, C.;  Scardamaglia, M.;  Shavorskiy, A.; Syres, K., In situ XPS of competitive CO2/H2O absorption in an ionic liquid. Journal of Physics Materials 2023.

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