材料基因组学指导下乙炔存储与分离材料的高通量计算筛选研究

摘要

作为一种重要的工业原料,乙炔常被用来生产各种化工产品,也广泛应用于焊接技术中。乙炔的高度易燃和反应性特性,给其安全储存与运输带来巨大的挑战。即使在无氧室温条件下,乙炔的存储压力也要低于0.2MPa,否则将会产生严重爆炸。近期,金属-有机骨架(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)材料在乙炔的安全存储以及纯化领域受到科学家的广泛关注,展现出了巨大的应用前景。本论文借助于材料基因组学的思想,将含有不饱和配位金属位的双铜船桨型结构单元Cu2(COO)4作为特征材料基因,以剑桥晶体结构数据库中实验报道的材料为基础,建立了一个包含797种Cu-MOF材料数据库,并利用其进行了乙炔气体存储与分离的大规模筛选研究。主要包含以下研究内容与成果:
　　首先,采用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计算手段,开发出能够准确描述乙炔与Cu-OMS相互作用的新力场,并利用其在常温常压下进行了高通量材料计算筛选,基于建立的构效关系,提出了MOF对此体系所需要的最佳结构特征范围。通过计算筛选,发现3个前景MOFs,其乙炔存储性能超过目前已报道任何多孔材料。
　　在上述工作的基础上,针对C2H2/CO2体系的分离,开发出了适用于描述CO2与Cu-OMS的分子力场,并利用其进行大规模计算筛选研究。结果表明,选出的3种MOF材料在C2H2/CO2选择性和C2H2吸附量方面均超过了目前已经报道过的所有材料。
　　本论文的研究结果,一方面可为用于乙炔体系的新材料识别和合成节省了大量的财力物力,同时也为今后新型高性能材料的定向设计提供了切实的理论指导。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属-有机骨架(MOFs)材料简介

1．2．1 IRMOF系列材料

1．2．2 ZIF系列材料

1．2．3 MIL系列材料

1．2．4 UiO系列材料

1．2．5 Pocket-Channel结构材料

1．3 计算化学简介

1．3．1 量子化学方法

1．3．2 分子模拟方法

1．4 计算化学在MOF材料领域的应用

1．4．1 高通量计算方法预测结构性质

1．4．2 计算化学在气体吸附方面的应用

1．4．3 计算化学在高通量筛选方面的应用

1．4．4 计算化学在研究构效关系方面的应用

1．5 MOF材料在气体吸附分离方面的应用

1．5．1 C2H2／CO2分离

1．5．2 C2H2／C2H4分离

1．6 选题依据及意义

1．7 本论文的创新之处

第二章 基于不饱和金属位点力场的构建

2．1 引言

2．2 模型和计算方法

2．2．2 基于不饱和Cu位点的力场开发过程

2．3 结果与讨论

2．3．1 OMS力场拟合结果

2．3．2 OMS力场验证

2．4 本章小结

3．1 引言

3．2 模型和计算方法

3．2．1 含不饱和Cu位点MOF材料数据库的构建

3．2．2 模拟细节

3．3 结果与讨论

3．3．1 构效关系分析

3．3．2 前景材料分析

3．4 本章小结

第四章 乙炔／二氧他碳分离材料的高通量计算筛选研究

4．1 引言

4．2 模型和计算方法

4．2．1 计算模型分析

4．2．2 模拟细节

4．3 结果与讨论

4．3．1 构效关系分析

4．3．2 吸附机理分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间研究成果

作者简介

导师简介