摘要 开发能够在极端条件下运行的锂金属电池电解质是一项重大挑战，并且往往因缺乏系统的溶剂筛选研究而受到阻碍。在这项研究中，通过 DFT 和 COSMO-RS 计算，来评估包含20种溶剂的190种二元混合物，以识别具有宽液体温度范围和高LiTFSI溶解度的电解质。四亚甲基砜（TMS）因其高沸点和低熔融焓而成为一种有前景的候选者，这会提高混合物中的泡点并降低共晶温度。利用具有七个σ描述符的机器学习模型，精确预测了Li和TFSI离子结合能。这些结合能主要受到强静电和范德华相互作用的影响。这种综合方法突出了DFT、COSMO-RS和机器学习技术相结合在指导电解质设计方面的有效性。 参考文献 Rational electrolyte design for Li-metal batteries operated under extreme conditions: a combined DFT, COSMO-RS, and machine learning study, J. Mater. Chem. A, 2024, 12, 15792
目前从煤直接液化油中，分离酚类化合物的过程，需要解决产生含酚废水，以及产品中中性油含量不达标的紧迫问题。北京化工大学与太原师范大学合作研究中，使用 AMS 软件中的 COSMO-SAC 模型来预测深共晶溶剂（DES）对酚类化合物的分离性能，并根据固液相图确定了潜在的萃取剂及其液相操作窗口。
采用低成本、稳定、高效的萃取剂 LC:TEG（1:3.3）DES 进行实验，探索实验条件的影响。通过量子化学和分子动力学模拟的可视化方法，探索了结构-活性关系，提出了一种多级闪蒸联合蒸馏去除中性油的方法。建立了萃取与蒸馏相结合的工艺，得到中性油含量仅为0.31%的间甲酚产品，中性油含量首次降至1%以下，满足工业要求。
最近捷克共和国布拉格化工大学Michal Fulem课题组，使用 AMS 软件的 COSMO-RS 模块预测 10 种活性药物成分（API）与聚合物聚乙烯吡咯烷酮（PVP）K12 的固液平衡（SLE）曲线。作者采用两种基于 COSMO RS 的方法，即“传统方法”和“快速方法”，并对二者的性能进行了比较。通过逐步溶解（S-WD）方法获得的各自 SLE 数据集进行比较，评估预测 SLE 曲线的准确性。
摘要 可冷凝气体是在大气压和室温下以气态形式排放到大气中的可冷凝和挥发性蒸汽或有机化合物（包括水蒸气）的总和。石化、化工、包装印刷、工业涂料、矿山开采活动排放的可冷凝有毒有害气体严重污染大气环境，危害人体健康。但这些气体又是必需的化学原料。因此，开发绿色高效的捕集技术对高效利用凝析气资源具有重要意义。为了克服传统有机溶剂和碱吸收方法中存在的污染和腐蚀问题，被称为“液体分子筛”的离子液体因其优异的分离和再生性能而受到前所未有的关注，并逐渐成为学者们用来取代传统吸收剂的绿色溶剂。 图1 离子液体的各种应用 近日，石河子大学和北京化工大学的雷志刚教授团队在化学与化工领域的顶级评论期刊 Chemical Reviews发表了一篇题为 Condensable Gases Capture with Ionic Liquids 的文章，介绍了预测分子热力学模型在离子液体捕获可冷凝气体领域的应用。 本文综述了离子液体在凝析气分离中的研究进展。作为化学工程的基础，本文首先详细讨论了预测分子热力学的起源及其在理论和工业中的广泛应用。随后，本文重点介绍了离子液体在捕获几种重要的典型可冷凝气体方面的最新研究成果，包括水蒸气、芳香族挥发性有机物（即 BTEX）、氯化挥发性有机物、氟化制冷剂气体、低碳醇、酮、醚、酯蒸气等。使用纯离子液体、混合离子液体，以及作为吸收剂的IL+有机溶剂混合物也简要扩展了负载有作为吸附剂的IL的多孔材料的相关报道。最后，对该领域的发展前景和研究方向进行了展望。 雷志刚教授团队开发的 ADF Lei 2018 和 COSMO-UNIFAC 模型已嵌入大型商业软件化学与材料软件 AMS 的 COSMO-RS 模块中，并广泛应用于含离子液体系统的气体分离领域。该综述提供了集成于 AMS 软件中的 ADF Lei 2018 版本的 COSMO-RS 的相关参数，如表 1 所示。 AMS 软件提供的热力学模型窗口界面如下图所示： 结语 由于它们的广泛应用和在上述领域的一些著名代表，预测型分子热力学已在化学工程中成立。预测型分子热力学未来的发展和研究方向： 尽管预测分子热力学模型适用于溶剂-聚合物系统，但据我们所知，到目前为止，还没有包括含有聚离子的系统；值得注意的是，离子液体可以用作电池电解质，但离子液体与其他化合物在电场条件下的相互作用在分子水平上仍不清楚。预测分子热力学可以为液体结构的细节提供理论见解。预测分子热力学尚未扩展到核工业中遇到的同位素蒸馏分离（即 H2O−D2O−T2O 分离）；预测分子热力学尚未扩展到去除高纯度湿电子化学品制备过程中遇到的金属离子（例如，在电子级NMP 的生产过程中需要去除至少20个金属离子）；预测分子热力学从不排除实验工作，而是将实验、计算和理论分析紧密结合在一起。换句话说，它们为实验提供了理论和建模支持，实验反过来验证了它们的适用性。因此，仍然需要有限数量的实验工作。 参考文献： Guoxuan Li; Kai Chen; Zhigang Lei; Zhong Wei. Condensable […]
摘要 本文通过使用COSMO-RS方法，设计疏水性深共晶溶剂（DES）预燃烧CO2捕集溶剂。作者通过AMS软件COSMO-RS模块对CO2在各种化合物与二元溶剂中的溶解度进行了可靠性较高的估算，从筛选的38种天然衍生疏水CO2亲和的化合物中开发出新的DES，根据COSMO-RS预测的活度系数评估这些物质中两两形成DES的可能性，然后进一步预测CO2的溶解度，总共筛选出58个有希望的DES，成功地制备并表征了8个DES。 室温下，这些DES大多数密度大于1.0 g/mL，具有与癸酸-薄荷醇（1:2）类似的低挥发性，在420 K以下具有很好的热稳定性。确定其中香兰素-4-氧代异膦酮（1:3）和水杨酸甲酯-4-氧基异膦（1:1），是非常有前途的预燃烧捕获剂，与众所周知、常规使用的Selexol溶剂具有相当的CO2溶解度和粘度。 参考文献 Kun Xin, Fausto Gallucci, and Martin van Sint Annaland*, Development of Natural Hydrophobic Deep Eutectic Solvents for Precombustion CO2 Capture, ACS Sustainable Chem. Eng. 2022, DOI: 10.1021/acssuschemeng.2c05090
研究亮点 使用COSMO-RS筛选用于提取岩藻黄质的24中共晶溶剂通过实验验证了COSMO-RS筛选得到的6个排名靠前的共晶溶剂百里酚 : 十二酸共晶溶剂的岩藻黄质提取率最高利用σ-profile和σ-potential揭示了可能的岩藻黄质提取机制最佳条件下岩藻黄质提取率为 22.03 mg/g DW 研究内容 岩藻黄质是藻类中的一种类胡萝卜素，据称具有抗氧化、抗光老化、抗转移、抗高血压活性等有益的健康相关特性，从而可能应用于化妆品、饮食和医药等。 奥克兰大学Dingmeng Xu等，研究评估了使用共晶溶剂 (deep eutectic solvents，DES) 从微藻Tisochrysis lutea中提取岩藻黄质的方法。 使用COSMO-RS筛选24种不同类型的共晶溶剂在提取岩藻黄质中的性能，然后使用6个排名靠前的共晶溶剂进行实验提取验证。 实验结果表明，其中百里酚 : 十二酸（摩尔比 1.25 : 1）对岩藻黄质的提取能力最高（7.69 mg/g dry biomass weight (DW)），高于常规溶剂甲醇 (6.29 mg/g DW) 和乙醇 (6.75 mg/g DW），这与 COSMO-RS 筛选结果一致。 作者进一步优化了百里酚 : 十二酸提取岩藻黄素的提取条件，结果表明在温度36.2 ℃、搅拌时间2.58小时，生物量百分比 11.36%时，岩藻黄质的提取率最高（22.03 mg/g DW）。 此外，岩藻黄质在百里酚 : 十二酸中表现出良好的稳定性，储存时间超过 11 天。经过七个提取周期后，最终岩藻黄质浓度 (13.06 mg/mL DES) ，可重复使用性良好。 参考文献 Evaluation of Deep […]
染料敏化光电化学电池（DS-PEC）是一种很有前途的可持续燃料生产系统，这种设计的巨大优势是系统的模块化。特别值得一提的是，可以通过轻微的结构调整来调整染料的光学和电化学性质，如基态氧化电位（GSOP）。在最近的一篇论文中，有人提出了一种快速、自动化的工作流程，用于自动筛选数千个候选分子，以识别有前途的染料。 为了设计该工作流程，对许多最先进的电子结构方法进行了评估，以及通过氧化反应的吉布斯自由能（产物和反应物的溶液相吉布斯自由能之差）或溶剂化染料的垂直电离能计算GSOP的不同方法。 使用DFT计算溶液相吉布斯自由能，包括使用COSMO或COSMO-RS方法考虑溶剂效应。此外，还评估了在Kohn Sham和GW水平下计算的垂直电离电位对GSOP的近似。对于苝类染料，考虑氧化后的几何弛豫和电子溶剂效应非常重要，而其他热效应可以忽略。结合精度和计算效率，优化工作流包括使用SQM方法（GFN1 xTB）执行的几何优化、包括COSMO的单点DFT计算和COSMO-RS热力学计算。 参考文献： J. Belić, A. Förster, J. P. Menzel, F. Buda, and L. Visscher, Automated assessment of redox potentials for dyes in dye-sensitized photoelectrochemical cells, Phys. Chem. Chem. Phys. 24, 197-210 (2022)
芳烃是石化工业中最重要的一类，由于它们常与脂肪族化合物形成多组分混合物，而它们沸点非常接近，因此分离是一个巨大的挑战，液-液萃取是传统分离过程的一个很好的替代方法。本文获得了庚烷-甲苯-二甲基甲酰胺（DMF）-二甘醇（DEG）体系在硫氰酸钾盐存在和不存在的情况下的液-液平衡数据，并利用COSMO模型研究了离子在DMF-DEG极性混合溶剂中的溶剂化。经验证，溶剂化络合物不能作为描述系统平衡的模型，尽管存在其他预期结果。 作者得到了n-庚烷 + 甲苯 + DMF/DEG 1:3，含/不含5% KSCN混合物在298.15K和大气压下的液液平衡实验数据。与COSMO-SAC模型相比，不同离子溶剂的COSMO-RS计算得到的分配系数与实验结果更接近。超出预料的是，与COSMO-SAC（段活度系数）计算结果相比，COSMO-RS（真实溶剂）计算的未溶剂化离子与实验数据具有更好的近似性，表明系统的物理性质或COSMO模型特征，两者都可能受到HBs的影响，可能是因为π电子与离子电荷的相互作用以及与溶剂的氢键作用。 参考文献： Beatriz Fernanda Bonfim de Souza, Stephanie Lenhare, Stênio Cristaldo Heck*, André Zuber, Stéphani Caroline Beneti, Andréia Fátima Zanette, and Lúcio Cardozo Filho, COSMO Study on the Heptane–Toluene–DMF/DEG-KSCN Liquid–Liquid Equilibrium System, Ind. Eng. Chem. Res. 2021
使用有机化合物的化学传感器，可以作为识别水环境中金属离子的优秀可选方案。传感器的优化过程严重影响所设计传感器的性能，在本研究中，采用响应面法（RSM）成功开发了一种利用有机化合物（即氨基硫脲连接乙酰吡嗪，TLA）识别不同环境水样中Co2+离子的高灵敏度和选择性比色传感器系统。作者建立的模型得到了成功的优化，并且具有统计显著的独立的变量（p<0.05），在pH值为5.3、100:70µM TLA/Co2+浓度、二甲基亚砜/水反应体积比8:2、反应时间15 min，达到最佳识别。在最佳条件下，TLA传感器可识别浓度低至1.637µM的Co2+离子，这低于火焰原子吸收光谱法（FAAS）的检测限。理论方法支持实验数据，并对化学传感系统中TLA-Co2+的机械非共价相互作用进行了表征和预测。最后，本研究中产生的所有积极结果表明，TLA可作为识别水中Co2+污染的替代和可比探针，具有成本效益、可移动且易于处理、无需特殊培训且环保。 在理论方面，利用COSMO-RS方法对TLA在其介质中的分子极化或相互作用进行了理论研究；通过计算Fukui函数来确定何种原子更易位于亲核区和亲电区；采用TDDFT方法验证了所建议的配合物结构以及TLA与Co2+离子之间的相互作用；结合NCI-RDG方法，TD-DFT方法提出的模型进一步用于描述该化学传感系统中TLA和Co2+离子之间发生的相互作用类型。 参考文献： Hakimah Ismail, Mohammad Norazmi Ahmad & Erna Normaya, A highly sensitive and selective thiosemicarbazone chemosensor for detection of Co2+ in aqueous environments using RSM and TD/DFT approaches, Scientific Reports volume 11, Article number: 20963 (2021)
美国太平洋西北国家实验室（PNNL）的研究人员在最近的一篇发表于《Science》的论文中，通过计算模拟辅助设计芴酮衍生物，水系氧化还原液流电池中可以实现还原产物芴醇的再氧化。实验与计算结合，是发展安全有机基氧化还原液流电池的一大进步。 作者通过添加砜等吸电子基团来调节芴醇质子的酸性，同时通过不对称取代（如砜+羧基）提高水溶性，实现了无需外加氧化剂或催化剂的可逆还原。 通过AMS软件中ADF模块+COSMO-RS模块结合计算，虚拟筛选氧化还原电势和pKa值，可以加速这些有应用前景的有机氧化还原偶的分子设计。 改性芴醇具有很高的溶解性，并且在水溶液中可以再氧化。 参考文献： R. Feng at al. Reversible ketone hydrogenation and dehydrogenation for aqueous organic redox flow batteries, Science, 372, 836-840 (2021)
