共价—有机和金属—有机骨架材料及其与离子液体复合材料的气体吸附分离性能的计算研究

发布时间：2017-04-15 00:19

  本文关键词：共价—有机和金属—有机骨架材料及其与离子液体复合材料的气体吸附分离性能的计算研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,简称MOFs)和共价-有机骨架材料(covalent organic frameworks,简称COFs)是类沸石的纳米多孔材料,具有高比表面积、高孔隙率和功能化可调解性等优异的性能,这些优异的性能使这两种新兴材料在气体存储、吸附分离、多相催化、药物控释等领域表现出潜在的应用前景。离子液体(ionic liquids,简称ILs)作为一种绿色溶剂,具有低挥发性、高热稳定性等优异性能,并且其本身正负电荷为游离状态,具有很强的静电作用。与传统的化石燃料相比,天然气具有更高的氢碳比,是最具潜力的可替代能源之一。在天然气的净化过程中,像C2H6,C3H8,C4H10及更大分子量的碳氢化合物等重要的化工原料需要被分离出来,以获得更大的经济效益。天然气中的主要杂质成分C02不仅会降低天然气的热值而且对传输管道造成严重的腐蚀。与此同时,化石能源在可预见的未来依然是主要的能量来源,其燃烧产生的大量CO2严重破坏了全球生态平衡。因此选择性的从天然气和烟道气中脱除CO2具有重要的经济和生态意义。本文运用分子模拟的方法,计算研究了48种常见COF材料对CH4/C2H6/C3H8混合物的吸附选择性能,并选出9种稳定性高,孔径结构适宜并对烷烃混合物有较高吸附选择性的COF材料与一定量的IL复合,研究IL/COF复合材料对烷烃混合物的吸附选择性能。选择了拓扑结构各异的5种MOF材料以及8种COF材料,采用分子动力学(MD)模拟的方法,探索研究了ILs在不同受限空间的分散行为,以及对CO2/CH4和CO2/N2吸附选择性的影响。主要内容如下：1.采用GCMC模拟方法,计算了所选48种常见COF材料在298K,1bar下对C2H5/CH4和C3H8/CH4的选择性。从中筛选出选择性高的COF材料,分析材料的特征,为设计合成性能优异的烷烃混合物分离材料提供理论依据。2.根据以上筛选,选择出9种对烷烃混合物选择性高,结构性能稳定,孔径大小合适的COF材料与离子液体[BMIM][SCN]复合。采用MD模拟对初始构型进行优化,计算IL/COF复合材料对烷烃混合物选择性大小。3.将MOF/COF材料与ILs复合,研究ILs在不同受限空间内的分散行为,并探索了影响机理。4.研究ILs在不同多孔材料受限空间内的分散行为对CO2/N2和CO2/CH4吸附分离性能的影响,并探索了影响机理,为设计出对CO2捕获性能高的新型IL@多孔复合材料提供一定理论指导。
【关键词】：金属-有机骨架材料 共价-有机骨架材料 离子液体 分子模拟 烷烃混合物 CO_2
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB33;TQ424
【目录】：

• 学位论文数据集3-4
• 摘要4-6
• Abstract6-15
• 符号说明15-16
• 第一章 绪论16-32
• 1.1 引言16-17
• 1.2 金属-有机骨架材料(MOFs)简介17-22
• 1.2.1 IRMOFs系列17-18
• 1.2.2 ZIFs系列18-19
• 1.2.3 MILs系列19-21
• 1.2.4 UiOs系列21-22
• 1.3 共价-有机骨架材料(COFs)简介22-25
• 1.3.1 硼酸系列COF材料23
• 1.3.2 席夫碱类COF材料23-24
• 1.3.3 三氰骨架类材料CTF24-25
• 1.4 计算化学介绍25-29
• 1.4.1 量子化学方法25
• 1.4.2 分子力学方法25-26
• 1.4.3 分子模拟方法26
• 1.4.4 计算化学在MOF研究中的应用26-28
• 1.4.5 计算化学在COF研究中的应用28
• 1.4.6 IL/MOF复合材料的研究进展28-29
• 1.5 本文选题的依据和意义29-30
• 1.6 本论文的创新之处30-32
• 第二章 COF材料以及IL/COF复合材料用于天然气的纯化32-48
• 2.1 引言32-33
• 2.2 模型与方法33-41
• 2.2.1 COFs及IL模型结构和性质33-35
• 2.2.2 模拟中的力场及电荷35-40
• 2.2.3 模拟细节40-41
• 2.3 结果与讨论41-47
• 2.3.1 力场验证41-42
• 2.3.2 COF材料的选择性42-44
• 2.3.3 IL/COF复合材料的选择性44-47
• 2.4 本章小结47-48
• 第三章 ILs在不同受限空间(MOFs和COFs)内的分散行为研究48-60
• 3.1 引言48
• 3.2 模型与方法48-53
• 3.2.1 ILs,MOFs及COFs的模型结构和性质48-50
• 3.2.2 模拟中的力场及电荷50-52
• 3.2.3 模拟细节52-53
• 3.3 结果与讨论53-58
• 3.3.1 力场验证53-54
• 3.3.2 IL在MOFs和COFs中的分散行为54-58
• 3.4 本章小结58-60
• 第四章 ILs在不同受限空间内的分散行为对材料的气体吸附分离的影响研究60-74
• 4.1 引言60-61
• 4.2 模型与方法61-63
• 4.2.1 材料结构61
• 4.2.2 材料电荷61-62
• 4.2.3 力场参数62
• 4.2.4 模拟方法62-63
• 4.3 结果与讨论63-73
• 4.3.1 复合材料对CO_2/N_2,CO_2/CH_4的选择性63-65
• 4.3.2 复合材料中IL的分散性对选择性的影响65-72
• 4.3.3 IL在类似结构的MOF/COF中分散性对气体选择性的影响72-73
• 4.4 本章小结73-74
• 第五章 结论74-76
• 参考文献76-86
• 致谢86-88
• 研究成果及发表的学术论文88-90
• 作者简介90-92
• 导师简介92-94
• 附件94-95

  本文关键词：共价—有机和金属—有机骨架材料及其与离子液体复合材料的气体吸附分离性能的计算研究，由笔耕文化传播整理发布。

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本文编号：307205