金属—有机骨架中气体分离的分子模拟研究及Cu-BTC的实验合成与其催化性能的研究

论文摘要

金属-有机骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs）是一类具有较大比表面积和孔隙率且结构组成多样的新型多孔材料,在储气、分离、催化等各个领域都有着潜在的发展前景。由于MOF材料种类繁多、组成多样,传统实验的方法无法对其进行系统的研究,所以分子模拟方法成为了研究MOF材料的重要手段之一。本文应用分子模拟的方法对MOF材料在天然气净化中的应用做了研究,并应用水（溶剂）热合成法合成了Cu-BTC,通过热重分析、X射线粉末衍射和N2吸附等分析方法对其进行了表征,进而考察了其催化性能。主要研究内容如下：1、针对天然气净化过程中甲烷和氮气的分离问题,采用GCMC方法,在298 K,压力在0-3.0 MPa范围内,模拟计算了32种MOF材料对甲烷和氮气摩尔比为9：1的体系的分离选择性。结果表明,材料孔径是影响甲烷对氮气的分离选择性的主要因素,孔径越小,分离选择性越大。除此之外,材料的化学组成、比表面积、自由体积、孔隙率等也对分离选择性有一定的影响。2、采用水（溶剂）热法合成了MOF材料Cu-BTC,并对其进行了一系列的表征。结果表明本实验所合成的Cu-BTC较为成功,可以用来进行后续的研究。3、应用苯甲醇氧化反应、α-蒎烯的异构化反应、环己烯和苯乙烯的氧化反应、碳酸甲乙酯的合成反应、苯甲醚的苄基化反应以及醇、醛的MPVO反应考察了Cu-BTC的催化性能,结果表明Cu-BTC只在苯甲醇氧化反应中表现出了催化活性。最后,具体考察了反应温度、反应时间等对其在苯甲醇氧化反应的催化性能的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属-有机骨架材料（MOFs）简介
• 1.2.1 含有芳香羧酸配体的MOF材料
• 1.2.2 含氮杂环配体的MOF材料
• 1.2.3 含其它类型配体的MOF材料
• 1.3 金属-有机骨架材料（MOFs）的设计方法
• 1.3.1 刚性多孔骨架的设计方法
• 1.3.2 柔性多孔骨架的设计方法
• 1.3.3 在MOF材料中引入金属活性位点的方法
• 1.4 金属-有机骨架材料（MOFs）的合成方法
• 1.4.1 水（溶剂）热合成法
• 1.4.2 在溶液中自组装
• 1.4.3 无溶剂合成法
• 1.5 分子模拟技术应用于MOF材料的研究
• 1.5.1 正则系综蒙特卡罗方法
• 1.5.2 巨正则系综蒙特卡罗方法
• 1.6 分子模拟方法在MOFs中的应用
• 1.7 本课题的选题意义和研究内容
• 1.7.1 选题意义
• 1.7.2 研究内容
• 第二章 金属—有机骨架材料中甲烷/氮气分离的分子模拟研究
• 2.1 引言
• 2.2 模型与计算方法
• 2.2.1 MOF材料结构
• 2.2.2 势能模型与立场参数
• 2.2.3 GCMC模拟细节
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 甲烷/氮气分离选择性的计算
• 4/N₂分离选择性的主要因素'>2.3.2 较低压力下影响CH₄/N₂分离选择性的主要因素
• 4/N₂分离选择性的主要因素'>2.3.3 较高压力下影响CH₄/N₂分离选择性的主要因素
• 2.4 本章小结
• 第三章 金属-有机骨架材料（Cu-BTC）的实验合成
• 3.1 引言
• 3.2 实验试剂和仪器设备
• 3.3 主要设备和仪器
• 3.4 实验所用的表征方法
• 3.4.1 X射线粉末衍射法（XRD）
• 3.4.2 热重-差热分析（TG/DSC）
• 2吸附-脱附'>3.4.3 N₂吸附-脱附
• 3.5 实验方法
• 3.6 样品表征
• 3.6.1 SEM分析和XRD分析
• 3.6.2 TG/DSC分析
• 3.6.3 BET分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 金属-有机骨架材料（Cu-BTC）的催化性能研究
• 4.1 引言
• 4.2 Cu-BTC的活化处理
• 4.3 Cu-BTC催化反应实验
• 4.3.1 苯甲醇的氧化反应
• 4.3.2 α-蒎烯的异构化反应
• 4.3.3 环己烯、苯乙烯的氧化反应
• 4.3.4 碳酸甲乙酯的制备反应
• 4.3.5 苯甲醚的苄基化反应
• 4.3.6 醛、酮、醇的MPVO反应
• 4.4 反应产物的检测
• 4.5 反应结果与讨论
• 4.5.1 苯甲醇的氧化反应
• 4.5.2 其它所选反应的测试
• 4.6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 导师简介