新型金属有机骨架（MOFs）材料储氢性能模拟研究
发布时间：2021-10-14 07:50
氢是新能源动力汽车最理想能源,但缺乏有效的储氢技术。金属有机骨架材料因具有高比表面积和孔结构易调节等特点,在固体吸附中得到广泛研究,但尚未见到MOFs储氢应用于汽车和船舶等载具上的报道。本文应用巨正则蒙特卡洛（GCMC）方法,模拟了MOF-X（X=801,806,808,841）和具有边缘传递网的高连接MOFs两个系列的金属有机骨架材料的储氢吸附情况;应用非定域密度泛函理论（NLDFT）,分析了它们的的孔径分布。结果显示,低温77 K条件下,所有MOF材料均具有良好的储氢性能,可以达到美国能源部（DOE）储氢目标,其中,拥有最多小孔结构,最大比表面积和孔容的Y-shp-MOF-1储氢量最大,1000 k Pa时体积储氢密度和质量储氢密度可分别达到0.079 kg/L和11.1 wt%。同时因为其显著的孔径差异,吸附等温线表现出两个吸附平台。同时,为了预测MOFs作为车载储氢材料的实际应用前景,模拟了边缘传递网高连接MOFs常温（298 K）条件下的储氢性能。研究发现,300 bar下,所有的MOFs材料均能达到美国能源部2020年目标;在同等条件下,Y-shp-MOF-1可以达到目前商...
【文章来源】：长江大学湖北省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种DOE资助的储氢方式研究[17]
21构、参数之间的联系。3.2吸附等温线采用巨正则蒙特卡洛方法，在液氮温度77K，压强0-10MPa的条件下，模拟计算了MOF-801、MOF-806、MOF-808、MOF-841四种金属有机骨架材料的体积储氢密度和质量储氢密度。之前我们也计算了在室温298K情况下四种材料的储氢性能，数据表明其储氢吸附量非常低，远不如低温77K下的氢气吸附性能。吸附等温线显示，随着压强的增大，氢气吸附量也随之增加，在500kPa这个节点处，储氢密度增加明显，随后增长速度变缓，并逐渐饱和，为典型的I型吸附等温线。图3-1四种MOF材料的体积储氢密度和质量储氢密度Fig.3-1Volume(a)andGravimetric(b)hydrogenstoragedensityoffourMOFmaterials如图3-1(a)所示，图像横轴为相对压强（某一时刻的压强值/10MPa），纵轴是体积储氢密度（kgH2/LMOFmaterials）。四种MOF材料的体积储氢密度由大到小依次为MOF-806(0.072kg/L)、MOF-841(0.062kg/L)、MOF-801(0.058kg/L)、MOF-808(0.052kg/L)。四种MOF材料的质量储氢密度(kgH2/kgMOFmaterials)如图3-1(b)所示。它们的质量储氢密度与体积储氢密度规律基本相同，MOF-806因为有最大的BET比表面积和孔容，所以拥有最高的储氢吸附量；MOF-801比表面积和孔容都最小，质量储氢密度与其它材料相比明显更低，但是因为其0.6nm附近的孔结构提供了较强的氢结合能，同时晶胞体积明显比MOF-808小得多，所以体积储氢密度比MOF-808略高。相比于MOF-841，虽然MOF-808比表面积更大，但是其孔径为18.4，接近介孔，氢结合能较小；同时，MOF-808拥有比MOF-841明显更大的晶胞体积和质量，所以体积质量储氢密度和质量储氢密度更校
23连接体,四面体笼型结构以一种MOF-808的整体连接方式共享顶点，可以被简化为增强的金刚石网。一个大的金刚烷笼内部孔径为18.4。图3-2MOF-801、MOF-806、MOF-808、MOF-841晶体结构示意图Fig.3-2CrystalstructuresforMOF-801、MOF-806、MOF-808、MOF-841以MTB为连接剂制备的MOF-841晶体，结构如图3-3(d)。用单晶X射线衍射数据进行了结构分析，发现MOF-841属于四方晶系，空间群I4/m，晶格参数a=b=14.6766，c=28.033,ɑ=β=γ=90。MOF-841中的每一个SBU都与8个连接基团进行连接。水和甲酸配体完成了SBU的配位。将八个连接的SBUs与四面体连接基团结合在一起，形成一个具有流动性拓扑的三维框架(图3-6)。这是默认的，高对称性的，边缘传递性的网络拓扑结构，由立方和四面体构型单元组合而得。在这种结构类型中只形成了一种笼形结构。对于MOF-841，笼的直径(不终止甲酸)为11.6。3.4本章小结本文通过应用巨正则蒙特卡洛方法对MOF-806、MOF-841、MOF-808、MOF-801四种结构相似的金属有机骨架化合物进行储氢性能模拟研究。根据其吸附等温线，结合四种材料的微观结构参数等信息，分析结果发现：1.比表面积是决定材料储氢性能的关键因素，同时孔容的大小也在很大程度上影响着材料储氢吸附量的大小，因为大的比表面积可以增加氢气的附着位点，
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有边缘传递网的稀土MOFs（RE-shp-MOF-1,RE-alb-MOF-1）储氢性能模拟研究[J]. 辛金鹏,吴昱廷,李松,李杰,戴伟. 四川大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]稀土金属La吸附掺杂BN纳米管储氢性能的第一性原理研究[J]. 张宁超,任娟. 四川大学学报(自然科学版). 2018(01)
[3]金属-有机骨架材料的制备及应用进展[J]. 乔萌,牛建瑞,钟为章,候月卿,李玉会,李再兴,周冰. 河北工业科技. 2018(01)
[4]基于NLDFT模型的渝东五峰组页岩孔隙结构特征及其储气意义[J]. 王鹏,耿安松,吴亮亮,方新焰. 地球化学. 2017(06)
[5]稀土储氢材料的应用现状与发展前景[J]. 张沛龙. 稀土信息. 2017(11)
[6]金属有机骨架材料在吸附分离研究中的应用进展[J]. 张贺,李国良,张可刚,廖春阳. 化学学报. 2017(09)
[7]储氢材料及研究进展[J]. 林静,赵东江,王立民. 绥化学院学报. 2017(08)
[8]甲烷在黏土矿物狭缝孔中吸附的分子模拟研究[J]. 熊健,刘向君,梁利喜. 煤炭学报. 2017(04)
[9]CH4和H2分子在金属有机骨架（ZIF-8）材料中的吸附性能模拟[J]. 罗晓霞,刘春娟,郑斌. 中国科技论文. 2017(04)
[10]多孔储氢材料研究现状评述[J]. 任娟,刘其军,张红. 材料科学与工程学报. 2017(01)
博士论文
[1]金属有机骨架材料的催化应用研究[D]. 汤甲.北京科技大学 2017
硕士论文
[1]多孔氮化硼纳米片的制备及其在气体吸附领域的应用[D]. 谢飞.北京理工大学 2015
[2]蒙特卡洛方法及应用[D]. 朱陆陆.华中师范大学 2014
[3]奥巴马政府能源战略研究[D]. 李琳.青岛大学 2014
本文编号：3435748
【文章来源】：长江大学湖北省
【文章页数】：54 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
几种DOE资助的储氢方式研究[17]
21构、参数之间的联系。3.2吸附等温线采用巨正则蒙特卡洛方法，在液氮温度77K，压强0-10MPa的条件下，模拟计算了MOF-801、MOF-806、MOF-808、MOF-841四种金属有机骨架材料的体积储氢密度和质量储氢密度。之前我们也计算了在室温298K情况下四种材料的储氢性能，数据表明其储氢吸附量非常低，远不如低温77K下的氢气吸附性能。吸附等温线显示，随着压强的增大，氢气吸附量也随之增加，在500kPa这个节点处，储氢密度增加明显，随后增长速度变缓，并逐渐饱和，为典型的I型吸附等温线。图3-1四种MOF材料的体积储氢密度和质量储氢密度Fig.3-1Volume(a)andGravimetric(b)hydrogenstoragedensityoffourMOFmaterials如图3-1(a)所示，图像横轴为相对压强（某一时刻的压强值/10MPa），纵轴是体积储氢密度（kgH2/LMOFmaterials）。四种MOF材料的体积储氢密度由大到小依次为MOF-806(0.072kg/L)、MOF-841(0.062kg/L)、MOF-801(0.058kg/L)、MOF-808(0.052kg/L)。四种MOF材料的质量储氢密度(kgH2/kgMOFmaterials)如图3-1(b)所示。它们的质量储氢密度与体积储氢密度规律基本相同，MOF-806因为有最大的BET比表面积和孔容，所以拥有最高的储氢吸附量；MOF-801比表面积和孔容都最小，质量储氢密度与其它材料相比明显更低，但是因为其0.6nm附近的孔结构提供了较强的氢结合能，同时晶胞体积明显比MOF-808小得多，所以体积储氢密度比MOF-808略高。相比于MOF-841，虽然MOF-808比表面积更大，但是其孔径为18.4，接近介孔，氢结合能较小；同时，MOF-808拥有比MOF-841明显更大的晶胞体积和质量，所以体积质量储氢密度和质量储氢密度更校
23连接体,四面体笼型结构以一种MOF-808的整体连接方式共享顶点，可以被简化为增强的金刚石网。一个大的金刚烷笼内部孔径为18.4。图3-2MOF-801、MOF-806、MOF-808、MOF-841晶体结构示意图Fig.3-2CrystalstructuresforMOF-801、MOF-806、MOF-808、MOF-841以MTB为连接剂制备的MOF-841晶体，结构如图3-3(d)。用单晶X射线衍射数据进行了结构分析，发现MOF-841属于四方晶系，空间群I4/m，晶格参数a=b=14.6766，c=28.033,ɑ=β=γ=90。MOF-841中的每一个SBU都与8个连接基团进行连接。水和甲酸配体完成了SBU的配位。将八个连接的SBUs与四面体连接基团结合在一起，形成一个具有流动性拓扑的三维框架(图3-6)。这是默认的，高对称性的，边缘传递性的网络拓扑结构，由立方和四面体构型单元组合而得。在这种结构类型中只形成了一种笼形结构。对于MOF-841，笼的直径(不终止甲酸)为11.6。3.4本章小结本文通过应用巨正则蒙特卡洛方法对MOF-806、MOF-841、MOF-808、MOF-801四种结构相似的金属有机骨架化合物进行储氢性能模拟研究。根据其吸附等温线，结合四种材料的微观结构参数等信息，分析结果发现：1.比表面积是决定材料储氢性能的关键因素，同时孔容的大小也在很大程度上影响着材料储氢吸附量的大小，因为大的比表面积可以增加氢气的附着位点，
【参考文献】：
期刊论文
[1]具有边缘传递网的稀土MOFs（RE-shp-MOF-1,RE-alb-MOF-1）储氢性能模拟研究[J]. 辛金鹏,吴昱廷,李松,李杰,戴伟. 四川大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]稀土金属La吸附掺杂BN纳米管储氢性能的第一性原理研究[J]. 张宁超,任娟. 四川大学学报(自然科学版). 2018(01)
[3]金属-有机骨架材料的制备及应用进展[J]. 乔萌,牛建瑞,钟为章,候月卿,李玉会,李再兴,周冰. 河北工业科技. 2018(01)
[4]基于NLDFT模型的渝东五峰组页岩孔隙结构特征及其储气意义[J]. 王鹏,耿安松,吴亮亮,方新焰. 地球化学. 2017(06)
[5]稀土储氢材料的应用现状与发展前景[J]. 张沛龙. 稀土信息. 2017(11)
[6]金属有机骨架材料在吸附分离研究中的应用进展[J]. 张贺,李国良,张可刚,廖春阳. 化学学报. 2017(09)
[7]储氢材料及研究进展[J]. 林静,赵东江,王立民. 绥化学院学报. 2017(08)
[8]甲烷在黏土矿物狭缝孔中吸附的分子模拟研究[J]. 熊健,刘向君,梁利喜. 煤炭学报. 2017(04)
[9]CH4和H2分子在金属有机骨架（ZIF-8）材料中的吸附性能模拟[J]. 罗晓霞,刘春娟,郑斌. 中国科技论文. 2017(04)
[10]多孔储氢材料研究现状评述[J]. 任娟,刘其军,张红. 材料科学与工程学报. 2017(01)
博士论文
[1]金属有机骨架材料的催化应用研究[D]. 汤甲.北京科技大学 2017
硕士论文
[1]多孔氮化硼纳米片的制备及其在气体吸附领域的应用[D]. 谢飞.北京理工大学 2015
[2]蒙特卡洛方法及应用[D]. 朱陆陆.华中师范大学 2014
[3]奥巴马政府能源战略研究[D]. 李琳.青岛大学 2014
本文编号：3435748
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