金屬-有機(jī)骨架材料改性設(shè)計(jì)的分子模擬研究.pdf

1、金屬-有機(jī)骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是一種類似沸石的新型納米多孔材料,具有種類多樣性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性與可調(diào)控性、高比表面積及良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn),已成為當(dāng)前材料領(lǐng)域的一個(gè)研究前沿與熱點(diǎn),有望在儲氣、分離、催化、生物化學(xué)及制藥等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。然而,由于MOF材料種類繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,純粹地采用實(shí)驗(yàn)的方法很難對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究,很大程度上阻礙了此類材料的實(shí)際應(yīng)用。近年來,計(jì)算化學(xué)已逐漸被用于探索

2、MOF材料的結(jié)構(gòu)與其性能間關(guān)系的規(guī)律,為材料的合成提供科學(xué)與技術(shù)支持。同時(shí),利用計(jì)算化學(xué)進(jìn)行材料的預(yù)篩選,節(jié)省了大量的資源,促進(jìn)了MOF材料的實(shí)際應(yīng)用。
　　 因此,本文針對MOF材料中氣體的吸附分離、擴(kuò)散分離等性質(zhì),采用了分子模擬方法,有針對性地對材料改性前后性質(zhì)變化進(jìn)行了對比,并進(jìn)行了系統(tǒng)的研究,主 要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下:
　　 1、以IRMOF-3為母體材料,采用Materials Studio軟件構(gòu)建出了IRMOF

3、-3的改性材料,并通過分子力學(xué)中能量最小化原理,采用適合MOF材料的DREIDING力場進(jìn)行整體優(yōu)化,得到IRMOF-3-AM1結(jié)構(gòu)。接著,采用分子模擬和密度泛函理論計(jì)算相結(jié)合的方法,計(jì)算了CO2/CH4、CO2/CO及CO2/N2三種混合氣體在MOF材料中的吸附分離選擇性。結(jié)果發(fā)現(xiàn),改性材料IRMOF-3-AM1,對雙組分氣體混合物具有良好的吸附分離性能,比常用到的MOF材料如Cu-BTC的吸附分離選擇性都要好。我們發(fā)現(xiàn),材料中羧基的

4、接入可以提高M(jìn)OF材料中的靜電作用,從而大大地提高了CO2/CH4混合物中CO2的分離選擇性。同時(shí),材料改性后,孔大小、結(jié)構(gòu)的變化也起到了提高選擇的作用,但其貢獻(xiàn)較小。
　　 2、本論文研究了IRMOF材料改性對CO2/CH4混合氣體滲透選擇性的影響,并與其它MOF材料進(jìn)行了對比分析。前人的工作發(fā)現(xiàn)互穿結(jié)構(gòu)可在一定程度上增強(qiáng)氣體混合物的吸附分離選擇性,但本工作發(fā)現(xiàn),由于互穿結(jié)構(gòu)自由體積相對較小,導(dǎo)致其滲透選擇性不高,因此,互穿結(jié)