金屬-有機骨架材料中氣體吸附分離的分子模擬研究.pdf

1、金屬-有機骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是近年來發(fā)展非常迅速的一種新型納米多孔材料,和傳統(tǒng)多孔材料相比,這種材料具有種類多樣性、結構可調控性、低晶體密度以及高比表面積等優(yōu)點,成為當前材料領域的研究前沿與熱點。近年來,計算機技術的飛速發(fā)展和理論方法的進步使理論與計算化學成為一門新興的學科,實驗研究和理論化學計算的結合改變了化學作為純實驗科學的印象。應用計算機分子模擬技術探索MOF材料的結構與其性能間

2、的關系,可以為材料的設計與合成提供理論指導。
　　 天然氣及氫氣是過渡型的清潔能源氣體,天然氣的主要成份為甲烷,二氧化碳為主要雜質,甲烷和氫氣是天然氣蒸汽重整制氫過程中需要分離的重要體系。本論文采用量子力學和分子模擬的方法研究MOF材料對二氧化碳/甲烷、甲烷/氫氣的分離能力,研究材料結構性質和其分離能力的關系及規(guī)律,并依據(jù)得出的規(guī)律指導新材料的設計,主要研究內容如下:
　　 1、利用分子模擬方法研究流體在MOF材料中的吸

3、附、分離等現(xiàn)象時,作為輸入?yún)?shù)需要先計算材料的骨架原子電荷,采用“基于原子連接性貢獻(connectivity-based atom contribution,CBAC)”方法對所研究材料中新出現(xiàn)的原子類型的電荷進行計算,新增了46種原子類型的電荷值。
　　 2、采用GCMC分子模擬的方法,計算了室溫下80種MOF材料對甲烷二氧化碳混合氣體的分離選擇性和100種MOF材料對甲烷氫氣混合氣體的分離選擇性,并篩選出分離這兩個體系效果

4、較好的材料。
　　 3、在分離甲烷/氫氣體系效果較好的MOF材料中,CUK-2的分離能力尤為突出,分析得出,CUK-2中硫元素的存在使流體尤其是甲烷與材料之間的范德華力增大,并且硫元素的質量密度越大,材料的吸附選擇性越高,并且隨著硫元素質量密度的提高,它的貢獻也就越大。
　　 4、系統(tǒng)研究了兩個典型壓力下SCO2/CH4、SCH4/H2與MOF材料的孔隙率、自由體積、有效比表面積及兩組份吸附熱差的關系,研究發(fā)現(xiàn),這四個因

5、素對MOF材料選擇性都有一定的貢獻,但選擇性與單個因素進行關聯(lián)得不到較好的規(guī)律。
　　 5、本論文為為納米多孔材料定義了一個新的參數(shù),即吸附參數(shù)AD。將SCO2/CH4、SCH4/H2與1/△AD進行了關聯(lián),并通過對曲線擬合得到選擇性與△AD的關系式,可以利用得到的定量關系式估算選擇性,加速了材料的大規(guī)模篩選。
　　 6、分析選擇性隨△AD的變化趨勢,得到臨界值,當△AD大于臨界值的時候,其選擇性有可能很大,但是當△AD