金属—有机骨架材料热容及其气体分离性能的计算研究

发布时间：2017-09-01 06:29

  本文关键词：金属—有机骨架材料热容及其气体分离性能的计算研究

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【摘要】：金属-有机骨架(metal-organic frameworks, MOFs)材料由于其特殊的结构特点,如结构复杂多变、比表面积大、孔体积大等,在气体吸附分离等领域展现出良好的应用前景。许多实验和模拟研究表明,在大多数吸附分离系统中,热力学效应起着非常重要的作用,为材料研究过程中不可或缺的因素。目前关于MOF材料热容的实验和模拟非常少,而通过实验测定MOF材料的热容不仅操作困难,而且浪费资源。为此,我们借助于量子化学计算,提出了一种MOF材料热容的快速估算方法,并构建了MOF材料热容的数据库。MOF材料在气体的吸附分离方面有很好的工业应用前景。通过调整材料的骨架结构、孔体积、比表面积及化学性质等来调控分子与骨架间的相互作用力,可达到分离性能增强的效果。UiO-66 (Zr)材料具有很高的热稳定性和化学稳定性,并且对气体的吸附分离有很好的效果。研究发现,对于在某些条件下实验合成出的材料,其晶体结构并不完美,具有一定的缺陷。因此,在本文中我们根据实验信息,构建出具有配体缺陷的UiO-66 (Zr)材料结构模型,在此基础上通过分子模拟研究了气体分子在其中的吸附微观机理,并考查了缺陷对吸附热及吸附选择性的影响。具体内容如下：1、采用基团贡献的思想,通过计算化学的方法研究了具有不同骨架结构的MOF材料的热容,给出了组成MOF材料的次级结构单元的热容数据库,为MOF材料热容的计算提供了基础。2、建立了具有配体缺陷的UiO-66的结构模型,脱去材料的配位水,通过GCMC模拟考查了具有缺陷的材料对CO2/N2和CO2/CH4的分离性能。研究结果表明,具有缺陷的UiO-66材料比完美的材料吸附CO2的能力高很多,并研究了其中的微观分离机理,为新材料的设计提供了理论依据。3、考查了缺陷位置处的配位水分子对材料性能的影响。研究发现,配位水分子的存在大大的降低了配体缺陷的UiO-66材料对气体的吸附能力和吸附选择性。
【关键词】：金属-有机骨架材料 分子模拟 热容 吸附分离 缺陷
【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】：O641.4;O647.3
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符号说明15-16
• 第一章 绪论16-34
• 1.1 引言16-17
• 1.2 金属-有机骨架(MOF)材料简介17-23
• 1.2.1 IRMOF系列材料17-19
• 1.2.2 ZIF系列材料19-20
• 1.2.3 MIL系列材料20-21
• 1.2.4 UiO系列材料21-22
• 1.2.5 Pocket-Channel结构材料22-23
• 1.3 计算化学简介23-28
• 1.3.1 量子化学方法24-25
• 1.3.2 分子力学方法25-26
• 1.3.3 分子模拟方法26-28
• 1.4 计算化学在MOF材料领域的应用28-29
• 1.4.1 量子化学方法在MOF材料中的应用28-29
• 1.4.2 分子模拟方法在MOF材料中的应用29
• 1.5 MOF材料在气体吸附分离方面的应用29-31
• 1.6 选题依据及意义31-32
• 1.7 本论文的创新之处32-34
• 第二章 基团贡献法计算纳微结构材料的热容34-46
• 2.1 引言34-35
• 2.2 模型和计算方法35-40
• 2.2.1 材料的结构模型35-37
• 2.2.2 计算方法37-40
• 2.3 结果与讨论40-45
• 2.3.1 有机官能团的热容40
• 2.3.2 Zn_4C_6O_(13)的热容40-42
• 2.3.3 Cu_2C_4O_8的热容42-44
• 2.3.4 Zn_2C_4O_8的热容44-45
• 2.4 本章小结45-46
• 第三章 配体缺陷的UiO-66对气体的吸附分离研究46-62
• 3.1 引言46-47
• 3.2 计算模型和方法47-53
• 3.2.1 配体缺陷的UiO-66(Zr)结构的建立47-49
• 3.2.2 材料电荷49-51
• 3.2.3 分子模型与力场参数51-52
• 3.2.4 模拟细节52-53
• 3.3 结果与讨论53-61
• 3.3.1 力场的验证53-54
• 3.3.2 CO_2、CH_4、N_2的单组分吸附54-57
• 3.3.3 CO_2/N_2、CO_2/CH_4的二元混合物的分离57-61
• 3.4 本章小结61-62
• 第四章 配位H_2O分子对配体缺陷的UiO-66材料吸附分离气体的影响62-72
• 4.1 引言62
• 4.2 计算模型和方法62-66
• 4.2.1 含H_2O的配体缺陷的UiO-66(Zr)结构的建立62-63
• 4.2.2 材料电荷63-64
• 4.2.3 分子模型与力场参数64-65
• 4.2.4 模拟细节65-66
• 4.3 结果与讨论66-70
• 4.3.1 配位H_2O分子对缺陷材料吸附单组分气体的影响66-68
• 4.3.2 配位H_2O分子对缺陷材料双组分选择性的影响68-70
• 4.4 本章小结70-72
• 第五章 结论72-74
• 参考文献74-80
• 致谢80-82
• 作者简介82-84
• 导师简介84-86
• 附件86-87

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

1 麻沁甜;肖远龙;童敏曼;李正杰;阳庆元;刘大欢;仲崇立;;热力学和计算化学在纳微结构材料构效关系研究与设计中的应用[J];中国科学:化学;2014年06期

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本文编号：770476