Optimization and kinetics modeling of CO2 fixation into cyclic carbonates using urea-functionalized ionic organic polymers under mild conditions

在温和条件下使用尿素功能化的离子有机聚合物优化和动力学模拟CO2固定为环状碳酸酯

- 河北工程大学材料科学与工程学院，河北省邯郸市，中国

- 河北省杂环化合物重点实验室，邯郸学院，河北省邯郸市，中国

这篇论文的核心内容是关于一种新型的尿素功能化的离子有机聚合物（urea-functionalized ionic organic polymers, UIPs）的合成及其在温和条件下将二氧化碳（CO2）固定为环状碳酸酯（cyclic carbonates, 5CCs）的催化性能研究。以下是主要的研究点和发现：

1. **研究背景**：随着工业化和全球化的发展，大气中CO2浓度逐年增加，导致严重的气候变化和温室效应。将CO2转化为有价值的化学品，如5CCs，是减缓气候变化负面影响的有效策略。

2. **材料合成**：通过一锅法溶剂热法合成了系列尿素功能化的离子有机聚合物材料UIPs（UIP-1, UIP-2, 和 UIP-3），这些材料由三组分通过缩合和Menshutkin反应制备。

3. **材料表征**：使用FT-IR、SEM、13C CP MAS NMR、TGA、N2吸附和XPS光谱等技术对UIPs进行了详细的表征。

4. **催化性能**：UIPs在无金属和共催化剂的条件下，作为竞争性催化剂用于CO2与环氧化物的环加成反应。特别是UIP-2，在温和条件下（70°C，1巴CO2，反应16小时）展现出了优异的催化活性，环状碳酸酯产率高达92.6%。

5. **动力学模型**：通过实验和密度泛函理论（DFT）计算，提出了可能的催化机制。

6. **催化剂回收性**：UIP-2的可重复使用性研究表明，至少在五次循环使用后，其催化活性得以保持。

7. **活化能计算**：通过Arrhenius方程计算，UIP-2催化的CO2环加成反应的活化能为48.5 kJ/mol，低于已报道的某些催化剂。

8. **结论**：这项研究提供了一种策略，用于在温和条件下制备多功能离子有机聚合物材料以固定CO2。研究结果表明，UIP-2因其尿素基团和溴离子的协同效应，表现出优异的催化活性。