日本中央大学理工学部应用化学科黑木菜保子助理教授和森宽敏教授、日本大学工学部生命应用化学科儿玉大辅副教授、金泽大学尖端科学社会共创推进机构山田秀尚副教授、以及地球环境产业科技研究机构组成的共同研究团队宣布，成功完成了具有史上最高物理吸收量的CO2吸收液（离子液体）理论设计，并明确了离子液体的分子结构。相关成果已发表在学术期刊《The Journal of Physical Chemistry B》上。
实验场景（供图：中央大学）
离子液体是由带正电和带负电的分子离子组合而成的常温熔融盐，理论上有1018以上的组合，再加上浓度分布的变化等，可能的数量庞大。因此，由于时间和成本的限制，不可能通过传统的实验主导型研究来优化离子液体的性能。
本次研究中，森教授率领的研究团队在开发的溶液/凝聚系中应用了量子化学计算和机器学习相结合的电子状态信息学，可以精密模拟活动分子间相互作用，从40万2114个候选离子液体中快速搜索了具有高CO2溶解度的离子液体。用于机器学习的特征值由易于实施的“对小分子离子群的量子化学计算”确定，控制分子相互作用的分子形状和电子状态的重要程度则由Wrapper Method（机器学习）量化。由此获得了离子的电子状态对于离子液体的功能设计至关重要的结论。
图1（左）用于高精度快速搜索CO2吸收性IL电子状态信息学概要；（右）本研究中被明确的CO2物理吸收量创历史高值的IL分子结构（供图：中央大学）
考虑到从经过机器学习模型，缩小范围的候选离子液体中挑选出容易合成的化合物，山田副教授率领的研究团队合成出了三己基（十四烷基）磷全氟辛烷磺酸。通过使用儿玉副教授研究团队所持有的磁悬浮天平进行精密且快速的测量，证实了新制作的离子液体相对于以往被认为具有最大CO2吸收量的离子液体——三己基（十四烷基）膦双（三氟甲基磺酰基）酰胺，具有更高的CO2溶解度。
今后研究团队将利用电子结构信息学，通过引入官能基、元素替换等，有计划地开发新的离子种类，从而可以不受离子液体巨大化学空间的阻碍，进一步加速CO2吸收液的研发。此次所提出的功能液体开发方法也可以应用于分子间相互作用较弱的其它气体吸收液，如深共晶溶剂，以及由多成分系组成的通用功能材料。
森教授表示，“近年来，随着新发传染病的流行和异常天气的出现，需要进行比以往更高效的研究。利用此次开发的电子结构信息学，可以精准研究由各种物质组合构成的材料，包括有望成为CO2吸收性离子液体的新组合，并以最小限度的精密实验加速研究和开发。今后，我们将通过与企业合作，努力实现CO2吸收过程的社会应用，以实现碳中和社会。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：The Journal of Physical Chemistry B
论文：Machine Learning-Boosted Design of Ionic Liquids for CO2 Absorption and Experimental Verification
DOI：doi.org/10.1021/acs.jpcb.2c07305
