金屬--有機骨架材料對硫化物吸附分離行為的分子模擬研究.pdf

1、隨著煤、石油、天然氣等能源的大量消耗，空氣中SO2、H2S等硫化物日益增加，硫化物的存在不僅污染環(huán)境，同時也將危害人類健康及腐蝕天然氣輸運管道設(shè)備等。因此，篩選高效捕獲及分離硫化物的微孔材料有重要的意義。金屬-有機骨架材料（Metal-organicframeworks，MOFs）因具有較高的比表面積和孔隙率、孔徑可調(diào)性以及高的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性等獨特優(yōu)勢，被認(rèn)為是用于硫化物吸附與分離最有前途的新型多孔材料。雖然研究者可通過突破實驗、

2、吸附實驗等方式研究硫化物在不同MOFs材料中的吸附與分離行為，但是目前已經(jīng)報道和合成的MOFs材料高達(dá)數(shù)萬種，若利用上述方法測定硫化物在其中的吸附等溫線，成本高、效率低。近年來發(fā)展起來的分子模擬方法能夠快速對大量MOFs材料進(jìn)行研究，獲得有效的構(gòu)-效關(guān)系，同時能夠?qū)鹘y(tǒng)實驗手段做出補充，從分子層面揭示吸附機制。
　　本論文針對硫化物在不同MOFs材料中的吸附與分離行為與其結(jié)構(gòu)性質(zhì)之間的構(gòu)-效關(guān)系不清楚這一問題，擬采用巨正則系統(tǒng)蒙特

3、卡羅模擬方法探討煙道氣中SO2及天然氣中H2S在不同MOFs材料中的吸附與分離行為，揭示MOFs材料與硫化物(SO2、H2S)之間的相互作用機制，闡述MOFs材料的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、金屬離子以及有機配體等因素對硫化物吸附分離性能的影響，為設(shè)計對硫化物具有良好吸附與分離性能的MOFs材料提供理論指導(dǎo)和依據(jù)。論文的主要研究結(jié)果如下:
　　(1)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，孔徑不同，低壓下孔徑越小，硫化物與ZIFs材料之間的相互作用越強，吸附性能越好。低壓時

4、硫化物在孔徑較小的ZIF-2中的吸附量最大。高壓時硫化物在ZIFs材料中的吸附量隨著孔徑或比表面積增大而增加。ZIF-3對煙道氣中SO2及天然氣中H2S具有較優(yōu)的捕獲和選擇性。
　　(2)對于M-DOBDCs系列材料，不飽和金屬位點和有機配體配位時所構(gòu)成角度越大，煙道氣中SO2與不飽和金屬位點接觸概率越大，其與M-DOBDCs之間相互作用越強，而CO2與該M-DOBDCs之間相互作用則越弱，角度最大的Zn-DOBDC材料對煙道氣中

5、SO2捕獲與分離性能最優(yōu)。M-DOBDCs系列材料對天然氣中H2S的捕獲與分離性能則與不飽和金屬位點和有機配體配位時所構(gòu)成角度成反比，角度最小的Mg-DOBDC材料對H2S的捕獲與分離性能最佳。
　　(3)對于有機配體不同的UMCMs系列材料，N原子的位置不同導(dǎo)致孔道電荷密度分布不同。硫化物傾向于吸附在N原子朝向主孔道的UMCM-150(N)1材料中，該材料對煙道氣中SO2及天然氣中H2S具有較優(yōu)的捕獲和分離性能，向UMCM-15