化石燃料作为当前主要的能源来源,其燃烧释放的CO2引起的全球气候问题受到了广泛的关注。当前工业中普遍采用以醇胺为溶剂的化学吸收法进行CO2捕集,存在高能耗、强腐蚀、溶剂易降解等问题。因此,本文以新型溶剂离子液体及其类似物(低共熔溶剂)替代传统胺类溶剂,进行CO2吸收。考虑到构成离子液体的阴-阳离子以及构成低共熔溶剂的氢键供体-受体组合繁冗,且不同组合的离子液体/低共熔溶剂对CO2吸收的效果差异较大,本文开展了离子液体和低共熔溶剂的理论设计与筛选研究,以期能替代传统耗时、耗力的实验筛选方法,迅速确定具有良好捕集效果以及实际应用前景的CO2吸收剂。本文主要工作如下:针对目前离子液体设计中评价指标选择不当(主要考察离子液体单位摩尔量对CO2的吸收容量),导致优化得到的离子液体往往分子量大、在实际应用中经济性差的问题,本文提出了以基于质量的综合指标ASDI为目标函数、物理性质(熔点、粘度)作约束条件的计算机辅助设计方法。形成的混合整数非线性规划问题(mixed-integer nonlinear programming,MINLP)采用模拟遗传退火算法求解。以燃烧后CO2捕集(CO2/N2)为验证体系,相较于基于摩尔的亨利系数和基于质量的单一性质指标,以ASDI作为目标函数时,优化得到的离子液体分子量较小,且具有良好的溶解度、选择性及解吸容量。将该方法应用于燃烧前CO2捕集(CO2/H2)以及酸气CO2捕集体系(CO2/H2S),得到的离子液体分离表现均优于目前文献报道的离子液体,并根据分子“指纹信息”σ-profile合理解释了三个体系的设计结果。由于ASDI为仅针对二元分离体系定义的评价指标,且定义时基于无限稀释下的活度系数,无法反映真实组成下和连续CO2捕集流程中离子液体的分离效果,本文以天然气同时脱酸多元体系为例,进一步提出了系统性离子液体筛选方法。该方法结合了无限稀释条件下ASDI与特定浓度下的气液相平衡(vapor-liquid equilibrium,VLE)、离子液体物理性质(熔点、粘度),以及连续吸收流程的综合表现(设备塔高、溶剂用量、能耗),对备选离子液体逐步进行筛选,最终确定了[BeMPYO][H2PO4]和[EMIM][H2PO4]为最优溶剂。与文献报道结果对比,本文筛选的离子液体在热力学性质和吸收过程流程表现方面均具有明显的优势,证明了所提出的筛选方法的实用性。为了预测CO2在低共熔溶剂中的溶解度性质,本文收集了文献中的1011个实验数据,基于氢键供体和氢键受体的COSMO描述符,采用随机森林算法,构建了可准确预测低共熔溶剂中 CO2 溶解度的构效(quantitative structure-property relationship,QSPR)模型。该模型对整个实验数据集的预测平均相对误差为7.76%,预测的各变量(温度、压力、氢键供体、氢键受体及其摩尔比)对CO2溶解度影响趋势与实验报道相吻合,验证了所构建的QSPR模型的准确性。对每个输入描述符的重要性进行分析,结果表明,各变量对CO2的溶解度影响大小排序为:压力>氢键受体>氢键供体>氢键受体与氢键供体摩尔比>温度。为研究低共熔溶剂中的CO2吸收机理,本文结合实验与分子模拟,探究了低共熔溶剂与CO2的相互作用。实验测定了 CO2在四种合成的低共熔溶剂(TBPB:PhOH(1:4)、TBPB:DEG(1:4)、ATPPB:PhOH(1:4)及 ATPPB:PhOH(1:6))中的溶解度,归纳了氢键受体、氢键供体及两者摩尔比对CO2溶解度的影响规律;通过对比文献报道的低共熔溶剂及离子液体中CO2溶解度,证明了本文合成的低共熔溶剂具有较优的CO2吸收能力。结合分子动力学模拟,基于径向分布函数(RDF、空间分布函数(SDF)以及相互作用能计算,对低共熔溶剂以及{低共熔溶剂+CO2}混合体系中分子间相互作用进行分析,探究了 CO2吸收机理,合理解释了氢键供体、氢键受体种类及两者摩尔比导致CO2溶解度差异的原因。综上,本文提出了改进的离子液体设计和筛选方法,可拓展至其他二元或多元气体分离体系;构建了可预测低共熔溶剂中CO2溶解度的QSPR模型,并探究了低共熔溶剂对CO2的吸收机理,为低共熔溶剂理论设计与筛选中数据库的选择及结果合理性分析奠定了理论基础。