在過去的幾十年里，化石燃料大量燃燒導致的二氧化碳（CO2 ）過度排放到大氣中可能直接導致全球氣候變化。為了減輕 CO2 造成的能源和環(huán)境危機， 科學家們已經(jīng)進行了大量的研究工作，以便有效地將過量的CO2 轉化為高附加值的化學品或燃料。碳捕獲和利用技術有望幫助解決大氣中CO2 濃度增加導致的環(huán)境問題、化石燃料的過度依賴以及可再生能源的存儲問題——所謂“一石三鳥”。但是， 由于其固有的熱力學穩(wěn)定性和動力學惰性，如何在相對溫和的條件下實現(xiàn)惰性 CO2分子的活化仍然是一個挑戰(zhàn)。目前主要策略有以下幾種：（1）使用具有高能量態(tài)的原料（如 H2、不飽和化合物、小環(huán)類有機化合物或金屬化合物等）；（2）合成具有低能量的目標分子（如有機碳酸酯、噁唑啉酮等）；（3）設計易趨向于生成目標產(chǎn)物的反應路徑；（4）使用更強大的能量引發(fā)反應（如光能、電能或熱能）。因此，在眾多CO2資源化利用的技術路線中，CO2與環(huán)氧化合物通過環(huán)加成反應生成環(huán)狀碳酸酯是最有前途和最有效的固定CO2的方法之一；并且該反應具有原料價廉、原子利用率高、副產(chǎn)物少等優(yōu)點，符合綠色化學與原子經(jīng)濟的要求。迄今為止， 各式各樣的催化劑系統(tǒng)已經(jīng)成功地應用于上述反應，包括均相催化劑（如金屬配合物、季銨鹽或磷鹽、有機堿、離子液體等）和多相催化劑（如金屬氧化物、多孔無機材料、金屬有機框架、共價有機骨架、多孔有機聚合物等）。近日，廣東工業(yè)大學綠色化學過程團隊羅榮昌副教授在綠色化學領域國際重要期刊《ChemSusChem》上發(fā)表綜述，題為“Recent Advances on Imidazolium-Functionalized Organic Cationic Polymers for CO2 Adsorption and Simultaneous Conversion into Cyclic Carbonates”(ChemSusChem, 2020, DOI: 10.1002/cssc.202001079)。該工作系統(tǒng)總結了咪唑修飾的多孔有機材料（諸如 POPs、CTFs、COFs、CMPs 等）在CO2吸附以及轉化到環(huán)狀碳酸酯的應用。Fig. 1 Imidazolium-Functionalized Organic Cationic Polymers for CO2 Adsorption and Simultaneous Conversion into Cyclic Carbonates
該綜述從酸堿協(xié)同催化活化模型出發(fā)， 首先介紹了咪唑陽離子型多孔有機聚合物（IMiPOPs） 的發(fā)現(xiàn)和基本特征。通過與多孔無機材料和有機-無機雜化材料相比，論證了多孔有機材料的優(yōu)越性， 具體體現(xiàn)在：（1）單體選擇的靈活性及材料合成方法的多樣性促使對其孔道結構和功能基團等進行理性設計，并在分子水平上對 CO2 吸附和轉化進行有效調控；（2）超高的比表面積、非常低的骨架密度、豐富的空間拓撲結構和孔道特性為 CO2 參與的反應提供適宜的催化微環(huán)境，并強化多相催化反應的傳質，促使反應能夠迅速、準確、高效、高選擇性地進行；（3）擁有更高的物理化學穩(wěn)定性，可在酸堿、潮濕等苛刻的環(huán)境中應用，符合工業(yè)催化劑的要求。
Fig. 2 Features of three kinds of familiar functional materials.其次， 概述了咪唑陽離子型多孔有機聚合物的設計和合成。主要關注如何通過共價鍵聯(lián)的方法將咪唑單元引入到材料骨架中，以及如何將其他催化活性位點引入到聚合材料中以實現(xiàn)多功能化。通過系統(tǒng)分析典型材料結構，結合作者先前的工作基礎， 提出構筑該類材料的四種主要合成策略：（1）后合成修飾策略（Post-synthetic Modification） ;（2）單組分自聚策略（One-component Self-condensation）;（3）多組分共聚策略（Multi-component Copolymerization）; （4）一鍋直接季銨化策略（One-pot Quaternization）。
Fig. 3 Synthetic strategies for imidazolium-functionalized organic cationic polymers. 最后， 作者總結并評價了典型咪唑陽離子型多孔有機聚合物在CO2 合成環(huán)狀碳酸酯中的催化性能，提出了影響催化活性的關鍵因素。
綜上所述， 通過在原子水平上靈活設計各種帶電或中性的聚合物單體， 并將各種設計策略的優(yōu)勢完美地結合起來， 實現(xiàn)咪唑陽離子型多孔有機聚合物的可控構筑， 以達到在不需要任何助劑和溶劑的情況下將捕獲的CO2轉化成環(huán)狀碳酸酯。如選擇剛性且扭曲的結構砌塊有利于提高聚合物的比表面積，以達到優(yōu)化孔道結構的目的，進而增強CO2的吸附能力和反應傳質效率；或在離子骨架中引入多種的催化活性基團及親CO2位點，以實現(xiàn)常溫常壓下CO2的捕集和協(xié)同催化轉化。
廣東工業(yè)大學輕工化工學院為論文唯一作者單位，羅榮昌副教授為論文第一作者和通訊作者。論文其他作者還有研究生劉香英， 推免生陳敏，劉寶玉副教授和方巖雄教授（團隊負責人）。該研究得到了國家自然科學基金面上項目和廣東工業(yè)大學青年百人計劃的資助。
http://orcid.org/0000-0003-3107-6609https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/cssc.202001079
