金屬—有機骨架材料吸附分離和膜分離性能研究.pdf

1、金屬—有機骨架（metal-organic framework，MOF）材料是一種新型有機-無機雜化納米多孔材料，因為其功能性強、孔隙率與比表面積大以及孔道可調控性強以及種類多樣性等特性，在儲氣、分離、催化、載藥和光學等領域受到了極大的重視，并且有很廣泛的潛在應用。但是，目前為止，實驗合成的MOF材料種類已有成千上萬種，并且理論上可以合成的MOF材料的種類是無限多的。MOF材料在氣體吸附和分離方面的研究是最可能實現(xiàn)工業(yè)應用的領域之一，并

2、且已有許多MOF材料在這方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。為了快速篩選出合適的MOF材料，近年來，計算化學的方法應用到材料的篩選過程中，極大地縮減了MOF材料的研究周期，有助于實驗合成具有工業(yè)應用前景的新材料。
　　 本文針對用于特定體系分離的MOF材料進行篩選，并系統(tǒng)研究其吸附分離和膜分離性能，主要工作如下:
　　 1、針對能源氣體H2的凈化過程，研究MOF材料對CH4/H2體系中CH4的吸附分離性能?？疾炝?05種不同種類的MO

3、F材料，采用分子模擬的手段研究其對CH4的分離選擇性與材料結構之間的結構-性能關系，并確定關鍵的影響因素。在此基礎上，提出了“吸附度”概念表征MOF材料特性性質，并且驗證了此概念的實用性。
　　 2、結合本研究室開發(fā)的MOF材料骨架原子電荷快速計算的CBAC方法，進一步針對工業(yè)煙道氣CO2/N2中CO2分離過程，得出針對此混合體系分離的MOF材料的結構-性能關系;進一步驗證了吸附度概念在CO2/N2體系中的實用性;并針對穩(wěn)定性高

4、的典型MOF材料UiO-66(Zr)進行了改性研究，最終獲得了可提高CO2分離選擇性的改性MOF材料。
　　 3、針對穩(wěn)定性較優(yōu)的UiO-66(Zr)材料，改性研究發(fā)現(xiàn)UiO-66(Zr)雙羧基改性材料UiO-66(Zr)-(COOH)2對于CO2/N2和CO2/CH4混合體系具有很高的CO2分離選擇性，針對這種新型改性材料，更好的研究其動力學分離性質，集中開發(fā)了描述此材料動力學性質的柔性力場，通過動力學模擬驗證所開發(fā)力場的準確

5、性，表明該力場能夠準確描述材料的晶格性質與CO2的擴散性質。
　　 4、采用針對UiO-66(Zr)-(COOH)2開發(fā)完成的柔性力場，對比研究其與母體材料UiO-66(Zr)作為膜材料，用于分離CO2/CH4和CO2/N2混合體系中的CO2性能。雙羧基改性材料UiO-66(Zr)-(COOH)2因為其與CO2分子的強相互作用，作為膜材料對CO2有很高的分離選擇性。同時進一步研究了該材料作為顆粒添加物填充到純聚合物中，制成混合基

6、質膜，發(fā)現(xiàn)所得的混合基質膜仍對CO2有較高的分離選擇性。
　　 5、研究了金屬Li改性IRMOF-1材料與CO2的相互作用。系統(tǒng)研究了此改性材料針對多種常見工業(yè)體系CO2/H2，CO2/N2，CO2/O2，CO2/CO和CO2/C2H4中CO2的捕集分離效果。詳細研究了金屬Li引入改性，所引起的孔道結構和性質的變化;并分析了材料與CO2的強相互作用的原因與機理，同時分析了吸附客體分子在材料內(nèi)部不同孔道結構中的吸附位變化，及由此引