金屬-有機(jī)骨架材料中天然氣存儲(chǔ)的分子模擬研究及MOF-5的實(shí)驗(yàn)合成.pdf

1、金屬-有機(jī)骨架材料（Metal-Organic Frameworks，MOFs）是一類(lèi)類(lèi)似于沸石的新型多孔材料，具有多樣性的結(jié)構(gòu)組成、較大的比表面積和孔隙率、可裁剪性的孔等特點(diǎn)，可應(yīng)用于氣體儲(chǔ)存、分離及催化等領(lǐng)域。計(jì)算化學(xué)不僅可以突破傳統(tǒng)方法的局限性，而且還可為最佳吸附材料的設(shè)計(jì)和最優(yōu)操作條件的確定提供理論依據(jù)，實(shí)現(xiàn)從以經(jīng)驗(yàn)為主向定量、定向制備的轉(zhuǎn)變，從而節(jié)省大量繁雜的實(shí)驗(yàn)研究。本工作主要針對(duì)甲烷存儲(chǔ)這一熱門(mén)話(huà)題，通過(guò)分子模擬手段分析其

2、在材料中的吸附機(jī)理，從而設(shè)計(jì)具有更高甲烷存儲(chǔ)量的新材料。此外，為了進(jìn)一步設(shè)計(jì)新材料，我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)合成的探索研究。其主要研究?jī)?nèi)容如下： 1、針對(duì)具有最大甲烷存儲(chǔ)量的金屬-有機(jī)骨架材料（MOFs）PCN-14，采用質(zhì)心分布圖研究了甲烷在其中的吸附機(jī)理。結(jié)果表明，PCN-14中主要存在兩個(gè)吸附位，其中金屬簇-苯基區(qū)域中靠近苯環(huán)的位置為第一吸附位，蒽基上方為第二吸附位。兩個(gè)吸附位均與有機(jī)配體有關(guān)，有機(jī)配體較之金屬簇在CH4的吸附中發(fā)揮

3、著重要的作用。 2、在此基礎(chǔ)上，我們通過(guò)改變PCN-14的有機(jī)配體，設(shè)計(jì)了具有高存儲(chǔ)量的新型MOF材料PCN-M1和PCN-M2。通過(guò)模擬290 K時(shí)的吸附等溫線，發(fā)現(xiàn)新材料PCN-M1和PCN-M2的吸附性能比PCN-14增強(qiáng)很多。在3．5 PMa時(shí)，PCN-M1、PCN-M2的吸附量分別達(dá)到了246 v/v、257 v/v，比PCN-14增加了7％、12％。本章接著模擬了298 K和3．5MPa時(shí)的吸附，PCN-M2對(duì)甲烷的

4、吸附量達(dá)到了241v/v，超過(guò)了DOE標(biāo)準(zhǔn)180v/v的34％。 3、為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分子模擬結(jié)果，需要實(shí)驗(yàn)合成上述新材料并對(duì)其結(jié)構(gòu)特性以及吸附性能進(jìn)行研究，從而開(kāi)發(fā)具有更高甲烷存儲(chǔ)量的MOF材料。但是由于本實(shí)驗(yàn)室之前并沒(méi)有過(guò)實(shí)驗(yàn)合成MOF材料的經(jīng)驗(yàn)，所以本人選擇合成晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、合成步驟簡(jiǎn)易的MOF-5材料，為本實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展實(shí)驗(yàn)合成MOF材料做前期探索工作，為建立分子模擬－實(shí)驗(yàn)合成共同篩選高性能甲烷存儲(chǔ)材料機(jī)制作前期準(zhǔn)備。