日本中央大學理工學部應用化學科黑木菜保子助理教授和森寬敏教授、日本大學工學部生命應用化學科兒玉大輔副教授、金澤大學尖端科學社會共創推進機構山田秀尚副教授、以及地球環境產業科技研究機構組成的共同研究團隊宣佈，成功完成了具有史上最高物理吸收量的CO2吸收液（離子液體）理論設計，並明確了離子液體的分子結構。相關成果已發表在學術期刊《The Journal of Physical Chemistry B》上。
實驗場景（供圖：中央大學）
離子液體是由帶正電和帶負電的分子離子組合而成的常溫熔融鹽，理論上有1018以上的組合，再加上濃度分佈的變化等，可能的數量龐大。因此，由於時間和成本的侷限，不可能透過傳統的實驗主導型研究來最適化離子液體的性能。
本次研究中，森教授率領的研究團隊在開發的溶液/凝聚系中應用了量子化學計算和機器學習相結合的電子狀態資訊學，可以精密類比活動分子間相輔作用，從40萬2114個候選離子液體中快速搜尋了具有高CO2溶解度的離子液體。用於機器學習的固有值由易於實施的「對小分子離子羣的量子化學計算」確定，控制分子相互作用的分子形狀和電子狀態的重要程度則由Wrapper Method（機器學習）量化。由此獲得了離子的電子狀態對於離子液體的功能設計至關重要的結論。
圖1（左）用於高精度快速搜尋CO2吸收性IL電子狀態資訊學概要；（右）本研究中被明確的CO2物理吸收量創歷史高值的IL分子結構（供圖：中央大學）
考慮到從經過機器學習模式，等比縮小範圍的候選離子液體中挑選出容易合成的化合物，山田副教授率領的研究團隊合成出了三己基（十四烷基）磷全氟辛烷磺酸。透過使用兒玉副教授研究團隊所持有的磁懸浮天平進行精密且快速的測量，證實了新制作的離子液體相對於以往被認爲具有最大CO2吸收量的離子液體——三己基（十四烷基）膦雙（三氟甲基磺醯基）酰胺，具有更高的CO2溶解度。
今後研究團隊將利用電子結構資訊學，透過引入官能基、元素更換等，有計劃地開發新的離子種類，從而可以不受離子液體巨大化學空間的阻礙，進一步加速CO2吸收液的研發。此次所提出的功能液體開發方法也可以應用於分子間相輔作用較弱的其它氣體吸收液，如深共晶溶劑，以及由多成分系組成的通用的功能材料。
森教授表示，「近年來，隨着新發傳染病的流行和異常天氣的出現，需要進行比以往更高效的研究。利用此次開發的電子結構資訊學，可以精準研究由各種物質組合構成的材料，包括有望成爲CO2吸收性離子液體的新組合，並以最小限度的精密實驗加速研究和開發。今後，我們將透過與企業合作，努力實施CO2吸收程序的社會應用，以實施碳中和社會。」
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：The Journal of Physical Chemistry B
論文：Machine Learning-Boosted Design of Ionic Liquids for CO2 Absorption and Experimental Verification
DOI：doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c07305
