随着经济的高速发展,工业生产中SO₂的大量排放导致了严重的酸雨,危害生态环境和人类的健康。离子液体由于其低的蒸汽压、高的气体溶解度和良好的结构可调性,已经被证明能有效捕集SO₂。由于离子液体种类繁多,目前离子液体捕收剂的开发和实验研究主要采用试错法,但试错法存在盲目性,导致成本高和周期长等问题。此外,部分离子液体捕集SO₂的机理也不清楚,揭示其捕集机制对新型离子液体捕收剂的研发及后续气体的解吸分离具有重要的意义。本文采用密度泛函理论、分子动力学模拟和定量构效关系结合的方法对新型离子液体捕收剂进行分子设计,研究咪唑类、吡啶类、胍类和醚功能性离子液体的SO₂捕集性能和机理,为离子液体捕收剂的设计、开发提供理论指导。采用密度泛函理论和定量构效关系结合方法建立了45种离子液体的微观结构参数与SO₂溶解度的定量构效关系式,得到良好的相关性。结果表明,随着咪唑环和吡啶环的甲基化、烷烃侧链的延长或醚键数量的增加,分子相互作用能的绝对值、能隙差和亲电指数减少,极化率和偶极矩增加,导致阴阳离子之间的束缚减弱,吸引电子的能力降低,分子供电子能力和极性越来越强,反应活性越来越好;阴离子中氧原子增加,分子的能隙差和亲电指数有降低的趋势,而相互作用能的绝对值和极化率有增大的趋势,导致分子的供电子能力增加而吸引电子的能力减弱,阴阳离子之间的束缚降低,反应活性越来越好,提高了离子液体中SO₂的溶解度。设计了7种新型离子液体捕收剂并预测其溶解度:1-九乙二醇单甲醚-2,3-二甲基咪唑甲磺酸盐（[E₉DMIM]MeSO₃）为7.017 mol SO₂?mol IL^-1、1-八乙二醇单甲醚-2,3-二甲基咪唑甲磺酸盐（[E₈DMIM]MeSO₃）为6.382 mol SO₂?mol IL^-1、1-己基-2,3-二甲基吡啶硫氰酸盐([C₆^{3 3}Py]SCN)为3.760 mol SO₂?mol IL^-1、1-九乙二醇单甲醚-3-甲基咪唑甲磺酸盐（[E₉MIM]MeSO₃）为6.512 mol SO₂?mol IL^-1、1-己基-3-甲基咪唑硫氰酸盐（[C₆MIM]SCN）为3.080 mol SO₂?mol IL^-1、1-九乙二醇单甲醚-3-甲基咪唑氯化物（[E₉MIM]Cl）为5.698 mol SO₂?mol IL^-1和1-己基-3-甲基咪唑甲基硫酸酯（[C₆MIM]MeSO₄）为2.932 mol SO₂?mol IL^-1。应用密度泛函理论和分子动力学模拟结合方法研究4种咪唑离子液体—1-乙基-3-甲基咪唑氯化物（[C₂MIM]Cl）、1-丁基-3-甲基咪唑氯化物（[C₄MIM]Cl）、1-己基-3-甲基咪唑氯化物（[C₆MIM]Cl）和1-辛基-3-甲基咪唑氯化物（[C₈MIM]Cl）与SO₂的相互作用、微观结构和捕集机制。研究发现离子液体捕集SO₂的过程中阳离子是至关重要的,阳离子提供容纳SO₂的空间,通过氢键相互作用进一步捕集SO₂。烷烃侧链的延长增强了离子对与SO₂的电荷转移。计算得到的纯体系的密度与实验值较为吻合。通过分析径向分布函数、空间分布函数、配位数和相互作用能的变化规律发现,随着烷烃侧链长度的增加,削弱了阴、阳离子之间的相互作用,增强了阴、阳离子与SO₂之间的相互作用,提高了离子液体中SO₂溶解度。随着烷烃侧链长度的增加,SO₂的扩散速度变慢,体系黏度降低,有利于SO₂的扩散和传质。通过密度泛函理论和分子动力学模拟结合方法研究4种胍类离子液体—1,1,3,3-四甲基胍丙酸盐（[TMG]P）、1,1,3,3-四甲基胍乙酸盐（[TMG]Ac）、1,1,3,3-四甲基胍乳酸盐（[TMG]L）和1,1,3,3-四甲基胍三氟乙酸盐（[TMG]Tf）与SO₂的相互作用、微观结构和捕集机制。结果表明,阴离子扮演了一个重要的角色,提供捕集SO₂的相互作用位点,与SO₂的亲和力最强。Ac^-中不同基团的取代,增强了阴离子与SO₂的静电相互作用。纯体系的模拟密度与实验值符合得较好。研究径向分布函数、配位数、空间分布函数和相互作用能的变化规律表明,Ac^-中取代基的增加,削弱了阴阳离子之间的相互作用,增强了阴离子与SO₂的相互作用,有利于离子液体捕集SO₂。这导致阴离子扩散速度比阳离子快,气体捕集过程中体系黏度降低,将有利于SO₂的扩散和传质。密度泛函理论和分子动力学模拟结合方法验证了所设计的新型离子液体捕收剂的SO₂溶解度顺序、揭示其捕集机制。新型离子液体捕收剂与SO₂的相互作用能顺序与QSAR预测顺序一致。结果表明:阴离子与SO₂之间有强的静电相互作用,阳离子与SO₂之间有强的范德华（或静电）相互作用;SO₂在这些新型离子液体捕收剂中溶解度高的主要原因是阴阳离子共同作用。