气体在MOFs材料中的扩散及对材料稳定性影响的计算化学研究

摘要

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks，MOFs)是一种近十几年来迅速发展起来的新型多孔材料。该类多孔材料具有很强的吸附能力、高度有序的孔道结构，并且与传统多孔材料如沸石、碳纳米管、活性炭等相比，更明显的优势在于可以通过修饰有机配体对材料内部孔道表面性质等进行调控，从而可以增强对某一特定吸附质的吸附作用力。基于MOFs材料的该种特性，它在储气、分离、催化以及生物医学等工业应用方面具有很大的发展潜能。然而，实现MOFs材料在以上方面的工业应用，离不开对客体分子在MOFs材料中微观扩散机理以及分离性能的研究。除此以外，还要对MOFs材料在所研究客体分子体系中的稳定性有一个很好的了解。基于此，本文主要做了以下三个方面的研究:
　　 (1)在270 K条件下，利用分子动力学模拟(MD)方法研究了C2H6分子在UiO-66(Zr)中自扩散系数与客体分子浓度之间的关系，并探究了C2H6分子在该材料中的微观扩散机理。本文中的MD模拟分别采用了刚性和柔性两种UiO-66(Zr)骨架，将MD模拟值与实验值相对比，发现C2H6分子自扩散系数总是随着loading的增大先增大后减小，并且柔性时计算所得的自扩散系数要比刚性时的计算结果，在变化趋势和数值大小方面均与实验值更符合。因此，在研究客体分子在多孔材料中扩散时采用柔性骨架比采用刚性骨架更具可靠性。通过对C2H6分子在UiO-66(Zr)中微观扩散机理的分析，发现C2H6分子在该种材料中的扩散是一种三维的各向同性的扩散类型，并且存在着一种“四面体孔-八面体孔-四面体孔”之间顺序跳跃的现象。
　　 (2)利用MD模拟方法，研究了250 K条件下CO2和N2两种纯组分在UiO-66(Zr)材料中的传递扩散系数，并通过对比发现两者的传递扩散系数相差约一个数量级。然后，计算了300 K条件下CO2/N2二元体系在UiO-66(Zr)材料中的吸附选择性、扩散选择性以及膜选择性。经过计算发现，该分离体系的膜选择性可以达到4.003，与该混合组分在其他MOFs材料中相同温度条件下的理想渗透选择性相比，有着较好的分离性能，从而在理论上验证了UiO-66(Zr)这种材料适合于分离CO2/N2混合体系。
　　 (3)通过量化计算的方法研究了酸性气体H2S对Cu-BTC材料结构稳定性的影响，并对其在该材料中的化学吸附机理进行了分析。通过结构优化，发现无论是否有水分子存在，总是会优先发生H2S分子与Cu-BTC的两个open metal site发生配位反应。当继续增加H2S分子含量，则会导致材料骨架中Cu-O键发生断裂，Cu离子会与H2S解离产生的HS-离子通过Cu-S键结合，而氧负离子则与H2S解离产生的H+离子生成OH-离子，从而使得多孔材料最终发生坍塌现象。经过对结构优化过程的结合能分析，发现配位反应的结合能要远远大于骨架解离反应的结合能，从而说明H2S气体在Cu-BTC中的吸附存在两个情况，当气体分子量较少，不足以满足所有open metal site的配位需求时，此时的吸附不会导致材料结构解离;当气体分子量足够多时，配位饱和后，多余的气体分子则会解离材料骨架，造成材料的塌陷。

目录

声明

学位论文数据集

摘要

符号说明

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 计算化学研究方法简介

1．2．1 密度泛函理论(DFT)

1．2．2 蒙特卡洛模拟方法(MC)

1．2．3 分子动力学模拟方法(MD)

1．3 金属-有机骨架材料简介

1．3．1 IRMOFs系列

1．3．2 ZIFs系列

1．3．3 MILs系列

1．3．4 CPLs系列

1．3．5 PCNs系列

1．3．6 其他

1．4 计算化学方法在MOFs材料中的应用简介

1．4．1 量子力学在MOFs材料中的应用

1．4．2 分子模拟方法在MOFs材料中的应用

1．5 本论文选题意义及研究内容

1．5．1 选题意义

1．5．2 研究内容

第二章 C2H6分子在UiO-66(Zr)多孔材料中微观扩散机理分析

2．1 引言

2．2 模型及计算方法

2．2．1 UiO-66(Zr)材料结构

2．2．2 力场参数及电荷

2．2．3 计算方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 乙烷分子在UiO-66(Zr)中的自扩散系数

2．3．2 乙烷分子在UiO-66(Zr)中的停留时间

2．3．3 扩散活化能

2．3．4 乙烷分子在UiO-66(Zr)中的扩散路径

2．3．5 质心分布图

2．3．6 径向分布函数

2．3．7 UiO-66(Zr)中三角形windows对自扩散系数的影响

2．4 本章小结

第三章 CO2/N2在UiO-66(Zr)中的扩散行为及选择性研究

3．1 引言

3．2 模型与计算方法

3．2．1 UiO-66(Zr)材料结构

3．2．2 力场参数及电荷

3．2．3 计算方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 CO2和N2两纯组分在UiO-66(Zr)中的传递扩散系数对比

3．3．2 UiO-66(Zr)多孔材料对CO2/N2混合体系分离性能研究

3．4 本章小结

第四章 H2S对Cu-BTC材料结构稳定性影响的研究

4．1 引言

4．2 材料骨架及计算方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 有水存在时，H2S对Cu-BTC稳定性的影响

4．3．2 无水存在时，H2S对Cu-BTC稳定性的影响

4．4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

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