烷烴在金屬有機(jī)骨架材料中吸附與擴(kuò)散的分子模擬研究.pdf

1、近年來，金屬有機(jī)骨架(Metal-Organic Frameworks，MOFs)材料已經(jīng)成為一種新的重要的多孔材料。MOFs是由過渡金屬離子與有機(jī)配體配位形成具有三維孔道的晶體材料。由于具有可調(diào)的化學(xué)功能和可控的孔結(jié)構(gòu)，MOFs在吸附分離、氣體存儲(chǔ)、催化反應(yīng)等方面比傳統(tǒng)的多孔材料如分子篩等更具有優(yōu)勢。無論從工業(yè)應(yīng)用或科學(xué)研究來說，烷烴在多孔材料MOFs中吸附和擴(kuò)散行為的研究都具有重要的價(jià)值。
　　 本文采用巨正則系綜蒙特卡羅(

2、Grand Canonical Monte Carlo，GCMC)、構(gòu)型偏倚蒙特卡羅(Configurational-Bias Grand Canonical Monte Carlo，CBMC)模擬相結(jié)合的方法，以及分子動(dòng)力學(xué)(Molecular Dynamics，MD)方法，研究烷烴在MOFs中吸附和擴(kuò)散的性質(zhì)。本文主要的內(nèi)容和結(jié)果如下：
　　 (1)通過MC方法分別研究了烷烴甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷、戊烷、新戊烷在M

3、OF-5、IRMOF-6、IRMOF-10、Cu-BTC中的單組分吸附。在MOFs中，隨著壓力的增加，烷烴吸附量增加。低壓下，直鏈烷烴的碳原子越多，吸附量越大；在高壓下，情況相反。在MOFs中，支鏈烷烴的吸附量小于同分異構(gòu)體的直鏈烷烴的吸附量，表明MOFs與分子篩一樣，對烷烴異構(gòu)體具有不同的吸附能力。分別比較了MOF-5和IRMOF-6、MOF-5和IRMOF-10、MOF-5和Cu-BTC對單組分烷烴的吸附，分析了不同的有機(jī)配體和孔結(jié)

4、構(gòu)對烷烴單組分吸附的影響。分析了烷烴在MOFs中的密度和吸附能，得到了烷烴在孔道中的吸附順序。
　　 (2)通過MC方法模擬了烷烴混合物甲烷和乙烷、甲烷和丙烷、正戊烷和新戊烷在MOF-5、IRMOF-6、IRMOF-10、Cu-BTC中的雙組分吸附。對于直鏈烷烴混合物，MOFs優(yōu)先吸附碳原子數(shù)目較多的直鏈烷烴，其吸附分離比表明MOFs具有分離烷烴混合物的能力。對于正戊烷和新戊烷混合物，正戊烷在MOFs中的吸附量比較大。其吸附分離

5、比表明MOFs與分子篩一樣具有擇形性，能夠分離同分異構(gòu)體混合物。分別比較了MOF-5和IRMOF-6、MOF-5和IRMOF-10、MOF-5和Cu-BTC對雙組分烷烴的吸附，分析了不同的有機(jī)配體和孔結(jié)構(gòu)對烷烴混合物吸附的影響。根據(jù)理想吸附溶液理論(IAST)，通過單組分吸附等溫線，計(jì)算了二元混合物甲烷和乙烷、正戊烷和新戊烷在MOF-5和Cu-BTC中的吸附平衡，并與MC模擬得到的吸附平衡進(jìn)行比較。
　　 (3)采用MD模擬方法