金屬-有機骨架材料改性設計的分子模擬研究.pdf

1、金屬-有機骨架材料(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、結構可設計性與可調控性、高比表面積及良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點,已成為當前材料領域的一個研究前沿與熱點,有望在儲氣、分離、催化、生物化學及制藥等領域獲得廣泛的應用。然而,由于MOF材料種類繁多,結構復雜,純粹地采用實驗的方法很難對其進行系統的研究,很大程度上阻礙了此類材料的實際應用。近年來,計算化學已逐漸被用于探索

2、MOF材料的結構與其性能間關系的規(guī)律,為材料的合成提供科學與技術支持。同時,利用計算化學進行材料的預篩選,節(jié)省了大量的資源,促進了MOF材料的實際應用。
　　 因此,本文針對MOF材料中氣體的吸附分離、擴散分離等性質,采用了分子模擬方法,有針對性地對材料改性前后性質變化進行了對比,并進行了系統的研究,主 要內容和創(chuàng)新點如下:
　　 1、以IRMOF-3為母體材料,采用Materials Studio軟件構建出了IRMOF

3、-3的改性材料,并通過分子力學中能量最小化原理,采用適合MOF材料的DREIDING力場進行整體優(yōu)化,得到IRMOF-3-AM1結構。接著,采用分子模擬和密度泛函理論計算相結合的方法,計算了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。結果發(fā)現,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,材料中羧基的

4、接入可以提高MOF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,材料改性后,孔大小、結構的變化也起到了提高選擇的作用,但其貢獻較小。
　　 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材料進行了對比分析。前人的工作發(fā)現互穿結構可在一定程度上增強氣體混合物的吸附分離選擇性,但本工作發(fā)現,由于互穿結構自由體積相對較小,導致其滲透選擇性不高,因此,互穿結