近日，中国科学院过程工程研究所张锁江研究员课题组在英国皇家化学会期刊 Chemical Science 上发表题为“Topological engineering of two-dimensional ionic liquid islands for high structural stability and CO₂ adsorption selectivity”的封面论文。

离子液体（Ionic Liquids, ILs）是由阴、阳离子组成且具有特殊氢键（Z 键）的一类新型介质，在绿色化学、电化学、储能、气体分离和催化等领域应用前景广泛。实际应用中，固体表面支撑的离子液体膜广泛存在，特别是在气体捕集方面相比体相离子液体具有明显优势，这主要源于其独特的界面结构。然而，范德华力、库仑力、氢键和界面等多种相互作用耦合，导致离子液体的界面自组装结构、性质及功能难以用传统理论模型进行预测。本文结合第一性原理与分子动力学模拟方法，系统研究了离子液体-固体界面的结构演化过程，发现离子液体沉积在石墨表面可形成多种不同的二维离子岛结构，并深入解析了二维离子岛的结构、性质和功能，可为离子液体界面功能调控与绿色技术应用提供科学支撑。

在物理气相沉积过程中，由于 Z 键的强相关性，典型气态离子液体将以阴-阳离子对的形式逐对沉积在石墨表面，受离子液体 Z 键驱动形成不同的基本结构单元，并进一步自组装形成二维单层离子岛结构。基于相邻离子的取向以及基本单元尺寸，离子岛可分为四种基本结构单元 P_N（N = 1、2、3、4，表示阴-阳离子对的数目），其中 P₁、P₂ 和 P₄ 呈近菱形结构，P₃ 呈环状结构。

首先，构建了系列不同尺寸、不同单元的二维离子岛模型，研究了二维离子岛的热力学稳定性与电子结构。发现随着二维离子岛尺寸逐渐增大，Z 键数目逐渐增加，形成能和 HOMO-LUMO 能隙呈指数下降；当尺寸超过临界值时，二维离子岛的热力学稳定性和电子结构均会收敛。此外，当大于临界尺寸时，P₁、P₂ 和 P₄ 形成的近菱形离子岛的 HOMO-LUMO 能隙由 4.97 eV 减小到 2.49 eV，而 P₃ 形成的离子岛能隙仅减小到 4.34 eV。进一步，研究发现 P₁、P₂ 和 P₄ 形成的近菱形离子岛与石墨基底的相边界会发生明显的局域电荷极化，不仅导致 HOMO-LUMO 显著降低，还呈现出对 CO₂ 极强的吸附能力。进一步拓展至 CO₂/CH₄、CO₂/CO、CO₂/N₂ 体系，均具有较高的 CO₂ 吸附选择性。

总之，本文通过多尺度模拟，深入研究了二维离子岛的结构、热力学稳定性、电子特性和气体吸附性能，提出了能够形成有序二维离子岛的四种基本结构单元，提出了二维离子岛的尺寸-结构二元调控策略，并且揭示了二维离子岛相边界高效定向吸附 CO₂ 的微观机制。研究结果表明，通过调控离子岛的尺寸与排列结构，可获得最优的二维离子岛体系，兼具高结构稳定性与气体吸附性能，相关定量结果对于基于界面离子液体的碳捕集转化等绿色技术的开发具有重要的科学指导意义。

• Topological engineering of two-dimensional ionic liquid islands for high structural stability and CO₂ adsorption selectivity
  Chenlu Wang, Yanlei Wang*（王艳磊，中国科学院过程工程研究所）, Zhongdong Gan, Yumiao Lu, Cheng Qian, Feng Huo, Hongyan He*(何宏艳，中国科学院过程工程研究所) and Suojiang Zhang*（张锁江，中国科学院过程工程研究所）
  Chem. Sci., 2021,12, 15503-15510
  http://doi.org/10.1039/D1SC05431G