金屬有機(jī)骨架材料的14CH4吸附分離性能與合成研究.pdf

1、14C是具有較長半衰期的、放射性碳同位素，盡管長期以來其豐度比較穩(wěn)定，但隨著核電的快速發(fā)展，所排放的14C氣體日益增多，對生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了一定的威脅。14CH4作為核電站排放的主要含14C氣體，如何高效處理14CH4具有重要意義。本文基于金屬有機(jī)骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)，采用計(jì)算化學(xué)研究方法，開展了14CH4吸附分離性能研究，探討了相關(guān)MOFs材料合成方法。
　　利用計(jì)算化學(xué)方法，基于含

2、有不飽和金屬位點(diǎn)(Open-Metal Sites，OMS)的Cu-PCN-14，在分子層面設(shè)計(jì)開發(fā)了五種金屬改性材料，M-PCN-14(M=Ca、Zn、Ni、Co、Cr)。并構(gòu)建了能準(zhǔn)確描述Cu-PCN-14、M-PCN-14和HKUST-1氣體吸附行為的新型力場模型。
　　基于量子化學(xué)和分子模擬研究，對比分析了IRMOF-1、IRMOF-3、IRMOF-6、IRMOF-14、HKUST-1和Cu-PCN-14六種常見MOFs材

3、料與本文設(shè)計(jì)的M-PCN-14系列材料在14CH4吸附分離上的性能差異。結(jié)果表明，不飽和金屬位點(diǎn)與14CH4具有很強(qiáng)的相互作用，含有OMS的MOFs材料的14CH4吸附分離性能明顯優(yōu)于IRMOFs系列材料。同時(shí)，在配體中引入給電子基團(tuán)可以增強(qiáng)MOFs材料對14CH4的吸附分離性能，其中-C2H4給電子基團(tuán)對于提升材料14CH4吸附分離性能效果顯著。在上述材料中，Zn-PCN-14具有最高的14CH4體積吸附量，在298K和3.5MPa下

4、的吸附量為236.9cm3/cm3，相比于Cu-PCN-14提升了約33cm3/cm3;Ca-PCN-14具有最高的質(zhì)量吸附量，在298K和3.5MPa下的吸附量為0.284g/g，相比于Cu-PCN-14提升了約0.87g/g;Co-PCN-14的14CH4/N2分離性能較好，在298K和0.1-3.5Mpa壓力范圍內(nèi)，其14CH4吸附選擇性在5.3-4.8之間。
　　對IRMOF-1、HKUST-1和PCN-14的合成方法進(jìn)行