MOF-5和MOF-74金属有机骨架纳米流体吸附储能的分子模拟研究

摘要

随着人类社会的不断发展，能源危机和环境问题日益严峻。如何缓解能源短缺问题、持续绿色可持续发展是一个不断被探讨的话题。回收利用自然界和工业界中的低品位能源是缓解能源相关问题的有效手段之一。但由于低品位能源的热源温度较低，使其回收利用率较低。利用流体分子在纳米多孔材料固体表面吸附分离过程中热能与表面能的相互转化，可以提高循环工质吸热量，进而提高能源利用率。该技术在有机朗肯循环、跨临界 CO2循环等低品位能源回收技术中具有巨大应用前景。　　本文采用分子模拟（分子动力学（MD）和巨正则蒙特卡罗（GCMC））方法，结合吸附理论开展了环境友好型循环工质在金属有机骨架材料中吸附储能研究。分别探讨了 R1234yf、R1234ze（Z）和 CO2在 MOF-5以及 R1234yf、R1234ze （Z）、R134a和R32在M-MOF-74（M=Zn，Ni，Mg，Co）中的吸附储能特性，主要研究内容及结论如下：　　首先，采用MD和GCMC，分别讨论了R1234yf、R1234ze（Z）和CO2在经典金属有机骨架材料MOF-5中的吸附储能特性。结果表明：计算得到CO2在MOF-5中的吸附量与实验数据相吻合，并且由GCMC计算得到的吸附热与克劳修斯-克拉珀龙方程计算得到的吸附热误差不大，通过MD模拟计算得到的MOF-5材料热力学能随温度变化关系也与文献数据接近，从而验证了本文计算方法的正确性。相同温度下，R1234ze（Z）在MOF-5中的饱和吸附能力高于R1234yf。同时与R1234yf相比，R1234ze（Z）在MOF-5中有更近的吸附位和更大的吸附热。MOF-5中的Zn原子对R1234yf和R1234ze（Z）的吸附作用比O原子要高。添加MOF-5纳米颗粒可以提高循环工质的储能特性，储能效果随MOF-5质量占比的增大而增大。相同条件下，R1234yf/MOF-5 纳米流体的储能效果优于 R1234ze（Z）/MOF-5纳米流体。冷热源温差为60K时，R1234yf/MOF-5纳米流体和R1234 ze （Z）/MOF-5 纳米流体储能特性曲线存在突变点。此外，还发现了金属有机骨架纳米流体储能的抑制效应。　　其次，针对不饱和金属位最大的MOF-74结构，改变其中心金属原子种类，得到四种不同MOF-74结构，随后研究了R1234yf、R1234ze（Z）、R134a和R32在M-MOF-74（M=Zn，Ni，Mg，Co）中的吸附储能特性。结果表明：在同一种MOF-74中，R32的吸附能力最大，R134a次之；同一种吸附质在M-MOF-74中吸附时，在Mg-MOF-74中的吸附量最大，且在Co-MOF-74中的吸附热最大。在四种MOF-74中，工质添加Mg-MOF-74纳米颗粒的储能效果最优，添加Ni-MOF-74纳米颗粒的储能效果最差。

目录

主要符号表

1 绪 论

1.1研究背景

1.1.1国内外能源发展现状

1.1.2 低品位能源

1.2.1 ORC研究现状

1.2.2循环工质

1.3吸附储能

1.3.1吸附特性研究现状

1.3.2储能实验研究现状

1.3.3储能模拟研究现状

1.3.4 小结

1.4.1 研究思路

1.4.2 研究内容

1.4.3 创新点

2 计算方法及其基本原理

2.1 MC方法

2.1.1 GCMC模拟

2.2 MD模拟

2.3模拟软件

2.4分子力场与势函数

2.4.1两体势

2.4.2多体势

2.4.3 COMASS力场

2.5.1 系综的分类

2.5.2 系综恒温技术的控制方法

2.5.3 系综恒压技术的控制方法

2.6体系边界

2.6.1周期边界条件

2.6.2 非周期边界条件

2.7.1 数值算法

2.7.2 Verlet算法以及速度Verlet算法

2.7.3 Beeman算法

2.7.4 leap-frog算法

2.8金属有机骨架材料及工质选择

3 工质在MOF-5中的吸附储能研究

3.1 模拟计算细节

3.1.1计算模型

3.1.2 MD和GCMC模拟细节

3.2模拟结果

3.2.1 吸附等温线

3.2.2 热力学能

3.2.3 吸附热

3.2.4 R1234yf和R1234ze（Z）在MOF-5中的储能特性

3.3 小结

4 工质在MOF-74中的吸附储能研究

4.1.1 计算模型

4.1.2 MD和GCMC模拟细节

4.2.1吸附等温线

4.2.2 MOF-74的热力学能

4.2.3 吸附热

4.2.4在MOF-74中的储能特性

4.3 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 后续研究工作展望

参考文献

附录

A 攻读硕士学位期间发表的论文

B 攻读硕士学位期间获得的奖励

C攻读硕士学位期间参加的科研项目

D 学位论文数据集

致谢