理论研究两类共价有机骨架的气体吸附和分离性能

发布时间：2021-08-29 19:32

　　多孔材料最早研究在20世纪初,是一种发展迅速的材料。由于具有比表面积大、密度低、孔结构可调节以及多样的拓扑结构和化学组成等优点,使得多孔材料在过滤、渗透、催化、电化学过程以及气体储存和分离等方面有着广泛的应用。目前,最备受关注的环境问题之一是全球变暖,而工业上和生活上过量排放的二氧化碳气体正是导致全球变暖的元凶。为了有效解决这一大焦点问题,可以寻找恰当的多孔材料来储存和分离二氧化碳气体。另外,稀有气体由于其低沸点、低熔点以及非常稳定的特点,使得其在化学工业、医疗科学等方面应用广泛。但是,由于稀有气体的含量在地球上本身含量低,并且生产过程中稀有气体的储存分离也是需要投入大量的资源和精力,导致稀有气体价格更加昂贵。利用多孔材料吸附和分离稀有气体是一个能降低稀有气体价格的办法。在本论文,运用理论模拟手段研究了最新报道的手性共价有机骨架和碳化硅共价有机骨架,预测了新材料对常见气体以及稀有气体的吸附和分离性能,具体内容如下:（1）选择最新合成且新颖的系列手性共价有机骨架（CCOF）为研究体系,探索和预测在气体吸附和分离方面的可能性。我们运用巨正则蒙特卡洛模拟（GCMC）和密度泛函理论（DFT）等... 

【文章来源】：东北师范大学吉林省 211工程院校 教育部直属院校

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【学位级别】：硕士

【部分图文】：

COF-1（左）和COF-5（右）的结构模型

4图1.2经典的MOFs和常见的金属节点以及有机配体。1.3多孔材料的应用1.3.1多孔材料在催化领域中的应用催化对化学、燃料制造、环境保护以及消费品和先进材料的加工产生巨大影响。使用多孔材料作为非均相催化剂引起了科学家们极大的兴趣，因为它们具有传统的非均相催化剂的优势以及活性位点的可及性。在Kurisingal等人的研究中，通过后浸渍技术制备了两种咪唑基离子液体的含锆的UiO-66-NH2异相催化剂[40]。此外，通过将基于甲基苯并咪唑鎓（ILB）和基于甲基咪唑鎓（ILA）的IL单元分别引入UiO-66-NH2，并通过涉及C=O（来自IL）和NH2（来自UiO-66-NH2）官能团的偶联反应，生成ILB@U6N和ILA@U6N。UiO-66-NH2的多孔结构和高表面积可确保提高催化剂的效率和IL的利用率。所开发的催化剂还具有低浸出，高稳定性和优异的可重复使用性，而不会影响环氧转化率。To等人合成了一种含铁的MOFs，名叫VNU-21[41]。他们发现VNU-21可以用作一锅合成喹唑啉酮的非均相催化剂，且可以回收。该合成在氧气气氛下分两个阶段

-1）、密度低（0.13gcm-3）且具有π电子共轭脱氢苯并环戊烯（DBA）单元的三维COFs（DBA-3D-COF1），并用金属Ni对3DCOF-1进行金属化产生Ni-DBA-3D-COF[46]。两种三维的DBA-COFs表现出很强的乙烷和乙烯气体的吸附能力。在理论计算上，众多研究者也很爱研究有助于能提升气体吸附和分离性能的材料上。Huang等人设计出具有多孔晶状的二维石墨状碳氮化物g-CN，运用理论计算手段发现该材料具有很好的CO2/H2（SCO2/H2=50）和CH4/H2（SCH4/H2=11）的分离性能，并且CO2，CH4和H2的自扩散系数也是能与大多数的COFs和MOFs旗鼓相当[47]。图1.3ZU-66的结构、结构内的“分子转子”和由分子转子的旋转行为得出的最小和最大的孔道。1.4选题背景和依据随着人类进步，环境问题越显突出。目前，工业上、生活中排放过量二氧化碳。而空气中过量的二氧化碳将导致温室效应等各种环境问题。一个能减少二氧化碳浓度的方法就是寻找到大量储存二氧化碳的材料。此外，随着科技进步，稀有气体的大量应用逐渐被挖掘。但是，稀有气体本身含量较少，且生产过程中储存和分离稀有气体也需要消耗大量资源，这更使得其价格更加昂贵。现在，多孔材料由于比面积大、密度低、孔尺寸可调节等优点在各方面中有着广泛的应用，尤其在气体吸附和分离的研究上已经被广泛研究。所以，对新型多孔材料的开发研究已经成为了实验研究者与计算研究者共同的目标。计算模拟研究多孔材料的气体吸附和分离性能可以节约实验上研究所用的资源、时间和精力等大量成本，所以，我们运用像DFT、GCMC、NVT等计算模拟的手段来预测一些有前途的共价有机材料的结构和重要的气体吸附以及分离情况，这是科学领域中


本文编号：3371248