金属—有机骨架材料中量子化效应的分子模拟研究

论文摘要

氢同位素气体中的两种重氢（D2、T2）在很多领域有着重要用途,是非常有用的资源。目前,氘气（D2）、氚气（T2）这两种气体主要是通过分离氢同位素的混合气体获得。但是传统的分离方法如低温蒸馏法、离心富集法、激光分离法等,普遍存在能源消耗大,经济效率低,分离效果差等问题,难以满足实际需要。近年来,氢气在低温下的量子化效应越来越引起人们的关注。应用氢同位素在狭缝孔中的量子化效应,可以将氢同位素的混合物分离开来。这种量子筛分效应已经在传统的纳米材料如碳纳米管、沸石中得到了验证,并取得了不错的分离效果。近年来出现的金属-有机骨架材料（metal-organic frameworks, MOFs）,是一类新型的类似于沸石的纳米多孔骨架材料,具有种类多样性、结构可调性等优点。金属-有机骨架材料作为利用量子化效应分离氢同位素的候选者,有必要对氢同位素的分离选择性与MOF材料结构之间的关系进行研究分析。利用分子模拟和计算化学手段,对现有的MOF材料进行预筛选,探索MOF材料的结构与氢同位素的分离选择性之间的规律,可以大大的节约实验筛选的时间和资源消耗,为新材料的合成和现有材料的改性提供科学依据与技术支持。因此,本研究工作针对氢同位素气体的混合气体,在九种具有相似管状结构的MOF材料中的分离选择性,进行了分子模拟研究。本文的主要内容和创新点如下：1.为了便于材料孔径的定义和测量,选择具有相似结构特点管状孔的九种MOF材料进行研究分子模拟研究,并从中发现了两种材料Cu（F-pymo）2和CPL-1,其在氢同位素之间的分离选择性S（D2/H2）方面有突出表现,是目前在同等条件下获得的氢同位素之间的最高选择性,高于碳纳米管和沸石等传统的纳米微孔材料。2.在研究过程中,为了更为准确的描述分离选择性与材料孔径之间的关系,我们给出一个新的定义“量子化孔径’’（quantum effective pore size）,该定义在计算材料的孔径时,区别于传统孔径,考虑了量子化效应和温度对于孔径尺寸的影响。基于这一新的定义,MOF材料的孔径与氢同位素的分离选择性之间存在一致规律,分离选择性随着材料孔径的减小而增大。3.在本研究进行的分子模拟中,应用MOF材料中的量子化效应分离氢同位素,考虑量子化效应时,首次采用了四次截断的FH势能模型。并且首次将MOF材料骨架与流体之间的静电力考虑在内。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 MOF材料简介
• 1.3 计算化学方法简介
• 1.3.1 量子力学计算方法
• 1.3.2 分子模拟计算方法
• 1.4 计算化学方法在MOF材料研究中的应用
• 1.4.1 量子力学方法在MOFs研究中的应用
• 1.4.2 分子模拟方法在MOFs研究中的应用
• 1.5 MOF材料的分子设计
• 1.6 选题依据和意义
• 1.7 本论文的创新之处
• 第二章 分子模拟中采用的材料结构和计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 计算模型和方法
• 2.2.1 MOF材料的结构
• 2.2.2 势能模型与参数
• 2.2.3 GCMC的模拟细节
• 第三章 MOF材料分离氢同位素的分子模拟结果与讨论
• 3.1 力场的验证
• 2/H₂）与压力的关系'>3.2 选择性S（D₂/H₂）与压力的关系
• 2的分离选择性'>3.3 材料Cu（F-pymo）₂的分离选择性
• 3.4 材料CPL-1的分离选择性
• 3.4.1 吸附的snapshot图
• 3.4.2 有效吸附区域
• 3.4.3 静电势分布
• 3.4.4 单组分吸附
• 2/H₂）与材料的孔径之间的关系'>第四章 分离选择性S（D₂/H₂）与材料的孔径之间的关系
• 2/H₂）与材料的传统孔径之间的关系'>4.1 S（D₂/H₂）与材料的传统孔径之间的关系
• 2/H₂）与材料的量子化孔径之间的关系'>4.2 S（D₂/H₂）与材料的量子化孔径之间的关系
• 4.2.1 量子化孔径的计算方法
• 2/H₂）与材料的量子化孔径之间的关系'>4.2.2 S（D₂/H₂）与材料的量子化孔径之间的关系
• 4.3 Cu-MMOM突出的原因
• 2/H₂）、S（T₂/D₂）与材料的量子化孔径之间的关系'>4.4 S（T₂/H₂）、S（T₂/D₂）与材料的量子化孔径之间的关系
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 研究成果及发表的学术论文
• 作者简介
• 导师简介