Zr基MOFs材料储氢性能及改性研究

发布时间：2017-09-01 17:42

  本文关键词：Zr基MOFs材料储氢性能及改性研究

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【摘要】：能源是社会和国家发展进步的重要支撑,新能源的开发成为近年来研究的热点问题。氢能燃烧热值高,且燃烧的产物是对环境无污染的水,因而受到了广泛关注。然而,氢气在常温常压下为气态,密度很小,且易燃烧爆炸,因而氢能的运输与储存问题成为氢能应用的关键,开发安全稳定高效的储氢材料成为氢能利用的研究热点。在目前研究的众多储氢材料中,金属有机框架(MOFs)由于其多孔性、结构的多样性、较高的比表面积和较低的晶体密度,被誉为最富有应用前景的储氢材料之一,且其在气体的吸附与分离、有机催化反应和化学与生物传感器等方面有着广泛的应用。本文的工作是通过分子模拟的手段,建立计算模型,探究晶体结构属性,设计研究高效稳定安全的储氢材料。在现有的MOFs储氢材料中,Zr基系列MOFs材料热稳定性好,且在水、丙酮、苯、DMF等有机溶剂和酸碱体系中均可保持结构稳定。Zr基MOFs材料具有良好的储氢性能,可实现快速吸放氢气,循环可逆性好。本文研究Zr基MOFs材料UiO-66、UiO-67、MOF-801、MOF-802、MOF-808和MOF-841的储氢性能和影响因素,探究Zr基MOFs材料骨架结构的功能化、金属Li离子的掺杂和中心金属离子的取代等提高储氢性能的改性方法。本文研究了几种Zr基MOFs材料在77K时不同压力下的吸附等温曲线,包括质量吸附等温线和体积吸附等温线,发现高压下材料的比表面积和孔隙率是其氢气吸附能力的直接影响因素,低压下吸附热是影响材料储氢性能的重要因素。通过研究提高材料储氢性能的改性方法,表明在骨架结构的功能化中,-CN官能团的引入使材料的质量吸附容量提高了11.7%,-Br官能团的引入使材料的体积吸附容量提高了17.8%；在金属Li离子的掺杂中,化学改性法引入金属Li离子的储氢效果优于物理改性法,通过化学改性法引入金属Li离子后使材料的质量吸附容量提高了12.3%,体积吸附容量提高了14.5%；在中心金属离子的取代中,轻质金属Ti离子取代中心金属离子可以增加材料的储氢能力,通过轻质金属Ti离子取代后使材料的质量储氢能力提高了19.4%。本文研究了Zr基MOFs材料的储氢性能和影响因素,以及提高材料储氢性能的改性方法,为储氢材料的进一步研究和应用奠定理论基础。
【关键词】：金属有机框架 储氢材料 储氢性能 改性设计
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB34
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-9
• 1 绪论9-41
• 1.1 吸附技术基本概念9-15
• 1.1.1 吸附的机理及分类9-10
• 1.1.2 吸附等温线10-12
• 1.1.3 吸附基本理论12-13
• 1.1.4 变温吸附与变压吸附13-15
• 1.2 储氢技术研究概况15-18
• 1.2.1 储氢方法分类15-17
• 1.2.2 储氢性能指标与吸放氢测试技术17-18
• 1.3 储氢材料的分类及其研究现状18-39
• 1.3.1 碳基材料19-21
• 1.3.2 沸石类材料21-22
• 1.3.3 金属有机框架(MOFs)22-34
• 1.3.4 共价有机框架(COFs)34-39
• 1.4 本文研究的目的意义和主要研究内容39-41
• 1.4.1 研究的目的和意义39
• 1.4.2 研究内容39-41
• 2 分子模拟方法简介41-51
• 2.1 计算量子化学42-45
• 2.2 蒙特卡罗法45-46
• 2.3 分子动力学46-48
• 2.4 计算软件包简介48-50
• 2.4.1 Gaussian48-49
• 2.4.2 VASP49
• 2.4.3 Materials Studio49-50
• 2.5 本章小结50-51
• 3 Zr基MOFs材料的储氢性能研究51-67
• 3.1 计算模型与计算方法51-58
• 3.1.1 计算模型51-57
• 3.1.2 计算方法57-58
• 3.2 模型与方法验证58-60
• 3.3 结果与分析60-66
• 3.3.1 吸附等温线60-62
• 3.3.2 吸附热62-63
• 3.3.3 吸附量的影响因素63-66
• 3.4 本章小结66-67
• 4 Zr基MOFs材料官能团改性金属有机框架材料的设计67-76
• 4.1 计算模型与计算方法67-72
• 4.2 结果与分析72-75
• 4.2.1 吸附等温线72-74
• 4.2.2 吸附热74-75
• 4.3 本章小结75-76
• 5 Zr基MOFs材料金属锂离子掺杂改性金属有机框架材料的设计76-84
• 5.1 计算模型与计算方法76-79
• 5.2 结果与分析79-82
• 5.2.1 吸附等温线79-81
• 5.2.2 吸附热81-82
• 5.3 本章小结82-84
• 6 Zr基MOFs材料取代中心金属离子改性金属有机框架材料的设计84-91
• 6.1 计算模型与计算方法84-87
• 6.2 结果与分析87-89
• 6.2.1 吸附等温线87-89
• 6.2.2 吸附热89
• 6.3 本章小结89-91
• 结论91-92
• 参考文献92-107
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况107-108
• 致谢108-109

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