金属有机骨架材料改性设计的分子模拟研究

论文摘要

金属—有机骨架材料（metal-organic frameworks, MOFs）是一种类似沸石的新型纳米多孔材料,具有种类多样性、结构可设计性与可调控性、高比表面积及良好的热稳定性等优点,已成为当前材料领域的—个研究前沿与热点,有望在储气、分离、催化、生物化学及制药等领域获得广泛的应用。然而,由于MOF材料种类繁多,结构复杂,纯粹地采用实验的方法很难对其进行系统的研究,很大程度上阻碍了此类材料的实际应用。近年来,计算化学已逐渐被用于探索MOF材料的结构与其性能间关系的规律,为材料的合成提供科学与技术支持。同时,利用计算化学进行材料的预筛选,节省了大量的资源,促进了MOF材料的实际应用。因此,本文针对MOF材料中气体的吸附分离、扩散分离等性质,采用了分子模拟方法,有针对性地对材料改性前后性质变化进行了对比,并进行了系统的研究,主要内容和创新点如下：1、以IRMOF-3为母体材料,采用Materials Studio软件构建出了IRMOF-3的改性材料,并通过分子力学中能量最小化原理,采用适合MOF材料的DREIDING力场进行整体优化,得到IRMOF-3-AM1结构。接着,采用分子模拟和密度泛函理论计算相结合的方法,计算了CO2/CH4、 CO2/CO及C02/N2三种混合气体在MOF材料中的吸附分离选择性。结果发现,改性材料IRMOF-3-AM1,对双组分气体混合物具有良好的吸附分离性能,比常用到的MOF材料如Cu-BTC的吸附分离选择性都要好。我们发现,材料中羧基的接入可以提高MOF材料中的静电作用,从而大大地提高了CO2/CH4混合物中CO2的分离选择性。同时,材料改性后,孔大小、结构的变化也起到了提高选择的作用,但其贡献较小。2、本论文研究了IRMOF材料改性对CO2/CH4混合气体渗透选择性的影响,并与其它MOF材料进行了对比分析。前人的工作发现互穿结构可在一定程度上增强气体混合物的吸附分离选择性,但本工作发现,由于互穿结构自由体积相对较小,导致其渗透选择性不高,因此,互穿结构不能很好地改善膜分离材料的效率。研究结果还发现,IRMOF-3-AM1在渗透选择性上,相对其它MOF材料有其很大优越性。3、对于本工作所利用的改性方法,改性后的材料无论在吸附选择性还是渗透选择性上都优于原材料,并且优于比较常用的材料,说明对于孔比较大的材料进行类似的改性后,自由体积受影响不足以使其扩散选择性降低很多。

论文目录

• 学位论文数据集
• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属—有机骨架材料（MOFs）简介
• 1.3 计算化学方法简介
• 1.3.1 量子力学方法
• 1.3.2 分子模拟方法
• 1.4 计算化学方法在MOF材料研究中的应用简介
• 1.4.1 量子力学方法在MOFs中的应用
• 1.4.2 分子模拟方法在MOFs中的应用
• 1.5 选题依据与内容概括
• 第二章 金属—有机骨架材料及气体分子模型
• 2.1 IRMOF-3与IRMOF-3-AM1模型
• 2.1.1 IRMOF-3与IRMOF-3-AM1结构
• 2.1.2 IRMOF-3-AM1的结构构建
• 2.1.3 IRMOF-3与IRMOF-3-AM1的势能参数
• 2.2 其它材料模型
• 2.2.1 Cu-BTC模型
• 2.2.2 IRMOF-1、IRMOF-9与IRMOF-10模型
• 2.3 气体模型及参数
• 第三章 双组分气体在改性金属—有机骨架材料中吸附分离的分子模拟研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 力场验证
• 3.3.2 IRMOF-3材料改性后对气体吸附分离选择性的影响
• 3.3.3 气体吸附分离选择性提高的机理分析
• 3.3.4 气体组成比例对吸附分离选择性的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 双组分气体在改性金属—有机骨架材料中扩散分离的分子模拟研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与讨论
• 4.4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介
• 导师简介