含不饱和金属位点的金属-有机骨架材料对CO2的吸附及分离性能研究

摘要

二氧化碳一方面是诸多化石燃料燃烧后必然产生的气体之一，成为导致全球气候变暖的重要因素之一;另一方面，二氧化碳同时也是重要的工业产物之一。对工业中产生的二氧化碳气体进行回收和再利用，对环境保护和企业经济效益方面同时有着重大意义。继对多种回收二氧化碳气体的方法进行研究后，金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks，MOFs)以其晶体结构规整、比表面积大、尺寸可调控等较好的性能优势和应用前景被引入这一领域。
　　本文在前人研究的基础上，针对MOF材料中对于二氧化碳吸附分离有特殊效果的不饱和金属位点(Open Metal Sites，OMSs)进行深入研究，筛选出281种含有“船桨型铜”不饱和金属位点的材料进行研究。使用密度泛函理论（Density Functional Theory，DFT）开发出针对该OMS的特殊力场。经过校验，这一力场的准确性及普适性适用于大规模批量计算中。
　　根据本工作开发的上述力场，通过分子模拟手段对含有此种OMS的材料对于CO2的吸附能力进行了模拟计算。并对材料吸附的构效关系进行研究。研究提取了材料对于CO2吸附的最佳结构指征和拓扑结构。并以此为基础进一步研究该特征的材料的含有CO2的工业气体（即烟道气）中的CO2的分离能力的构效关系。
　　本研究旨在通过对材料的大规模批量计算，探寻材料吸附的一般规律。本研究揭示了不饱和金属位点对于CO2吸附分离的一般结论，对于今后针对性地设计合成有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 金属-有机骨架材料(MOFs)概述

1．3 金属-有机骨架材料(MOFs)的主要种类

1．3．1 IRMOF系列材料

1．3．2 ZIF系列材料

1．3．3 CPL系列材料

1．3．4 MIL系列材料

1．3．5 PCN系列材料

1．3．6 UiO系列材料

1．4 金属-有机骨架材料(MOFs)的研究方向

1．4．1 储气性能

1．4．2 气体吸附

1．4．3 气体／气液分离

1．4．4 催化性能

1．4．5 材料合成

1．5 含有不饱和金属位点的金属有机骨架材料

1．6 金属-有机骨架材料(MOFs)的计算化学研究

1．6．1 蒙特卡洛模拟

1．6．2 分子动力学

1．6．3 分子模拟在MOF材料中的研究应用

1．7 选题依据及意义

1．8 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 力场模型的构建与计算

2．2．1 密度泛函理论概述

2．2．2 MOF材料的片段构建和挑选

2．2．3 对于船桨型铜不饱和金属位点的力场开发

2．3 力场拟合结果与讨论

2．3．1 OMS力场拟合结果

2．3．2 OMS力场验证

2．4 本章小结

第三章 有不饱和金属Cu位点的MOF材料对CO2的吸附能力模拟

3．1 引言

3．2 模型和计算方法

3．2．1 含有不饱和金属位点Cu的材料筛选

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 不饱和金属位点作用分析

3．3．3 拓扑结构对吸附影响分析

3．4 本章小结

第四章 含有不饱和金属Cu位点的MOF材料对烟道气的吸附能力模拟

4．1 引言

4．2 模型与模拟细节

4．2．2 模拟细节

4．3 结果与讨论

4．3．1 构效关系分析

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

附录

致谢

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