本发明属于co2的捕集及催化转化领域，具体涉及一种双核咪唑类聚离子液体材料及制备方法和应用。
背景技术：
近年来，煤、石油、天然气等化石燃料的大量燃烧造成了大气中co2浓度的持续增加，继而导致了全球变暖、冰川融化、海平面上升、海洋酸化等一系列极端恶劣环境问题的发生。虽然各国自2015年起已经开始着重控制全球变暖，但是碳排放量的增幅仍未有减缓。及至今年，大气中的co2浓度更是超过了415ppm，对人们的生活环境造成了严重影响。因此，亟需降低大气中的co2含量，减少气候变暖带来的危害。
co2作为一种丰富且廉价的c1资源，其捕集与固定转化引起了众多专家学者的关注。如何高效的吸附co2并将之催化转化为其它高附加值的产品成为当前的热点问题。常用的co2捕集技术主要有吸收法、吸附法、膜分离法等。工业上主要采用化学吸收法，即以醇胺溶液为吸收剂对co2进行捕集，但是这种方法再生能耗高、易腐蚀设备，在应用过程中存在一定的弊端。另外，由于co2的化学性质稳定，对它进行固定并催化转化较为困难，往往需要耗费大量的能量，所需的反应时间也较长。例如，工业上一般是在高温、高压条件下采用季胺盐作为催化剂实现环氧丙烷与co2的环加成反应。因此，设计一种耗能低、催化反应时间短并且集吸附性能和催化性能于一身的新型材料显得尤为重要。
离子液体作为一种新兴的绿色吸收剂，具有热稳定性高、蒸汽压低、溶解性能好、且有较大的极性可调控性等优点，在co2捕集固定方面有广大的应用前景。但由于离子液体粘度高、传质阻力大、回收重用困难使其应用受到限制。为了解决以上问题，可以将离子液体单体与交联剂进行共聚形成聚离子液体用于co2的捕集及固定转化。然而，目前大多数聚离子液体都是通过二元共聚得到，所含的活性基团数量相对较少，难以在具有高co2吸附量的同时实现其高效催化转化。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对现有co2捕集与固定转化技术中存在的问题与不足，提供一种集吸附与催化转化功能于一体的双核咪唑类聚离子液体材料，本发明的另一目的是提供上述双核咪唑类聚离子液体材料的制备方法，本发明还有一目的是提供上述双核咪唑类聚离子液体材料在co2吸附中的应用及催化环加成反应中的应用。
本发明的技术方案为：一种双核咪唑类聚离子液体材料，其特征在于由双核咪唑类离子液体单体与交联剂三元共聚后得到，其中交联剂为二乙烯基苯和n,n’-亚甲基双丙烯酰胺，双核咪唑类离子液体单体的质量含量为20～40％。
本发明还提供了一种制备上述的双核咪唑类聚离子液体材料的方法，其具体步骤如下：
a.双核咪唑类离子液体单体的制备：将乙烯基咪唑、卤代烃或醚加入到溶剂中，并在惰性气体氛围下反应，反应温度为60～90℃，反应时间为24～48h；反应结束后，经萃取、过滤、洗涤、干燥后得到双核咪唑类离子液体单体；
b.双核咪唑类聚离子液体材料的制备：将双核咪唑类离子液体单体、二乙烯基苯、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂加入到溶剂中，并在惰性气体氛围下反应，反应温度为50～80℃，反应时间为12～24h；反应结束后，经离心、洗涤、干燥后得到双核咪唑类聚离子液体材料。
优选步骤a中所述的卤代烃或醚为1,2-二溴乙烷、1,2-二氯乙烷、1,4-二溴丁烷、1,4-二氯丁烷、双(2-溴乙基)醚或双(2-氯乙基)醚中的任一种。
优选步骤a中所述的溶剂为甲苯或乙腈中的任一种。
优选步骤a中所述的乙烯基咪唑、卤代烃或醚、溶剂的质量比为1:(0.6～1.3):(6.8～9.3)。
优选步骤b中所述的引发剂为偶氮二异丁腈或偶氮二异庚腈中的任一种。
优选步骤b中所述的溶剂为乙醇、乙酸乙酯或乙腈中的至少一种。
优选步骤b中所述的双核咪唑类离子液体单体、二乙烯基苯、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂、溶剂的质量比为1:(0.3～0.8):(0.4～0.9):(0.02～0.04):(19～25)。
本发明还提供了上述的双核咪唑类聚离子液体材料在co2吸附中的应用以及在催化环加成反应中的应用。
双核咪唑类聚离子液体材料在co2吸附中的应用，包括以下步骤：在吸附温度25～50℃、压力1bar、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.1g条件下进行co2吸附。
双核咪唑类聚离子液体材料在co2吸附中的应用以及在催化环加成反应中的应用，包括以下步骤：在反应压力1.5mpa、温度80～140℃、时间1～5h、双核咪唑咪唑类聚离液体与氧化苯乙烯质量为1:(24～48)条件下与co2进行环加成反应合成苯乙烯环状碳酸酯。
有益效果：
(1)本发明所提供的双核咪唑类聚离子液体材料通过三元共聚反应制备得到，该合成方法具有设备简单、操作方便、条件温和等优点，工艺过程对环境友好，有利于工业规模化生产。
(2)本发明所提供的双核咪唑类聚离子液体材料兼具了离子液体与聚合物的优势，具有多孔结构以及丰富的活性基团(醚键、酰胺键)，同时该聚离子液体材料结构可调、性质稳定、易于回收重用，有效降低了成本。
(3)本发明所提供的双核咪唑类聚离子液体材料可实现co2的同步吸附与催化转化，使co2既能在其表面进行高效吸附，表现出较高的吸附性能，又能通过环加成反应将其转化为环状碳酸酯，具有较高的转化率和选择性。
具体实施方式
实施例1
(1)将3.76g乙烯基咪唑、4.89g1,4-二氯丁烷加入到35.0g甲苯中(其中乙烯基咪唑、1,4-二氯丁烷、溶剂的质量比为1:1.3:9.3)，在惰性气体氛围下反应，反应温度为90℃，反应时间为24h；反应结束后，经萃取、过滤、洗涤、干燥后得到双核咪唑类离子液体单体1,4-丁二基-3,3’-双-1-乙烯基咪唑氯化物。
(2)将2.44g双核咪唑类离子液体单体、1.71g二乙烯基苯、1.95gn,n’-亚甲基双丙烯酰胺和0.07g引发剂偶氮二异庚腈加入到46.4g乙醇溶液中(其中双核咪唑类离子液体单体、二乙烯基苯、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂、溶剂的质量比为1:0.7:0.8:0.03:19)，并在惰性气体氛围下反应，反应温度为70℃，反应时间为12h；反应结束后，经离心、洗涤、干燥后得到双核咪唑类聚离子液体材料，其中双核咪唑类离子液体单体的含量为20wt.％。
(3)对所制备的双核咪唑类聚离子液体材料进行co2吸附性能测试，在吸附温度50℃、压力1bar、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.1g条件下，其co2吸附量为18.45cm3/g。
将所制备的双核咪唑类聚离子液体材料用于催化氧化苯乙烯与co2的环加成反应中，在反应压力1.5mpa、温度80℃、时间1h、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.05g、氧化苯乙烯用量1.2g条件下，测得其co2转化率为91.82％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为90.47％；重复使用5次后，其co2转化率为90.45％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为88.24％。
实施例2
(1)将3.76g乙烯基咪唑、3.76g1,2-二溴乙烷加入到32.7g甲苯中(其中乙烯基咪唑、1,2-二溴乙烷、溶剂的质量比为1:1:8.7)，在惰性气体氛围下反应，反应温度为80℃，反应时间为30h；反应结束后，经萃取、过滤、洗涤、干燥后得到双核咪唑类离子液体单体1,2-乙二基-3,3’-双-1-乙烯基咪唑溴化物。
(2)将2.26g双核咪唑类离子液体单体、0.68g二乙烯基苯、0.90gn,n’-亚甲基双丙烯酰胺和0.08g引发剂偶氮二异庚腈加入到47.5g乙醇溶液中(其中双核咪唑类离子液体单体、二乙烯基苯、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂、溶剂的质量比为1:0.3:0.4:0.04:21)，并在惰性气体氛围下反应，反应温度为50℃，反应时间为16h；反应结束后，经离心、洗涤、干燥后得到双核咪唑类聚离子液体材料，其中双核咪唑类离子液体单体的含量为28wt.％。
(3)对所制备的双核咪唑类聚离子液体材料进行co2吸附性能测试，在吸附温度40℃、压力1bar、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.1g条件下，其co2吸附量为20.96cm3/g。
将所制备的双核咪唑类聚离子液体材料用于催化氧化苯乙烯与co2的环加成反应中，在反应压力1.5mpa、温度100℃、时间3h、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.05g、氧化苯乙烯用量2.0g条件下，测得其co2转化率为96.63％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为87.72％；重复使用5次后，其co2转化率为94.94％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为86.48％。
实施例3
(1)将4.70g乙烯基咪唑、3.76g双(2-溴乙基)醚加入到33.8g乙腈中(其中乙烯基咪唑、双(2-溴乙基)醚、溶剂的质量比为1:0.8:7.2)，在惰性气体氛围下反应，反应温度为70℃，反应时间为42h；反应结束后，经萃取、过滤、洗涤、干燥后得到双核咪唑类离子液体单体乙醚双-(1-乙烯基咪唑)溴化物。
(2)将2.53g双核咪唑类离子液体单体、1.52g二乙烯基苯、1.52gn,n’-亚甲基双丙烯酰胺和0.05g引发剂偶氮二异丁腈加入到乙醇(16.6g)-乙腈(16.0g)-乙酸乙酯(18.0g)混合溶液中(其中双核咪唑类离子液体单体、二乙烯基苯、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂、溶剂的质量比为1:0.6:0.6:0.02:20)，并在惰性气体氛围下反应，反应温度为60℃，反应时间为20h；反应结束后，经离心、洗涤、干燥后得到双核咪唑类聚离子液体材料，其中双核咪唑类离子液体单体的含量为34wt.％。
(3)对所制备的双核咪唑类聚离子液体材料进行co2吸附性能测试，在吸附温度30℃、压力1bar、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.1g条件下，其co2吸附量为23.42cm3/g。
将所制备的双核咪唑类聚离子液体材料用于催化氧化苯乙烯与co2的环加成反应中，在反应压力1.5mpa、温度120℃、时间5h、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.05g、氧化苯乙烯用量2.4g条件下，测得其co2转化率为90.56％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为87.35％；重复使用5次后，其co2转化率为89.74％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为85.96％。
实施例4
(1)将4.70g乙烯基咪唑、2.82g双(2-氯乙基)醚加入到32.0g乙腈中(其中乙烯基咪唑、双(2-氯乙基)醚、溶剂的质量比为1:0.6:6.8)，在惰性气体氛围下反应，反应温度为60℃，反应时间为48h，反应结束后，经萃取、过滤、洗涤、干燥后得到双核咪唑类离子液体单体乙醚双-(1-乙烯基咪唑)氯化物。
(2)将2.00g双核咪唑类离子液体单体、1.60g二乙烯基苯、1.80gn,n’-亚甲基双丙烯酰胺和0.04g引发剂偶氮二异丁腈加入到乙醇(16.0g)-乙腈(16.0g)-乙酸乙酯(18.0g)混合溶液中(其中双核咪唑类离子液体单体、二乙烯基苯、n,n’-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂、溶剂的质量比为1:0.8:0.9:0.02:25)，并在惰性气体氛围下反应，反应温度为80℃，反应时间为24h；反应结束后，经离心、洗涤、干燥后得到双核咪唑类聚离子液体材料，其中双核咪唑类离子液体单体的含量为40wt.％。
(3)对所制备的双核咪唑类聚离子液体材料进行co2吸附性能测试，在吸附温度25℃、压力1bar、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.1g条件下，其co2吸附量为25.34cm3/g。
将所制备的双核咪唑类聚离子液体材料用于催化氧化苯乙烯与co2的环加成反应中，在反应压力1.5mpa、温度140℃、时间2h、双核咪唑类聚离子液体材料用量0.05g、氧化苯乙烯用量1.8g条件下，测得其co2转化率为99.09％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为98.18％；重复使用5次后，其co2转化率为98.12％，苯乙烯环状碳酸酯的选择性为97.10％。
