本文關鍵詞：金屬—有機骨架材料熱容及其氣體分離性能的計算研究

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【摘要】：金屬-有機骨架(metal-organic frameworks, MOFs)材料由于其特殊的結構特點,如結構復雜多變、比表面積大、孔體積大等,在氣體吸附分離等領域展現出良好的應用前景。許多實驗和模擬研究表明,在大多數吸附分離系統(tǒng)中,熱力學效應起著非常重要的作用,為材料研究過程中不可或缺的因素。目前關于MOF材料熱容的實驗和模擬非常少,而通過實驗測定MOF材料的熱容不僅操作困難,而且浪費資源。為此,我們借助于量子化學計算,提出了一種MOF材料熱容的快速估算方法,并構建了MOF材料熱容的數據庫。MOF材料在氣體的吸附分離方面有很好的工業(yè)應用前景。通過調整材料的骨架結構、孔體積、比表面積及化學性質等來調控分子與骨架間的相互作用力,可達到分離性能增強的效果。UiO-66 (Zr)材料具有很高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性,并且對氣體的吸附分離有很好的效果。研究發(fā)現,對于在某些條件下實驗合成出的材料,其晶體結構并不完美,具有一定的缺陷。因此,在本文中我們根據實驗信息,構建出具有配體缺陷的UiO-66 (Zr)材料結構模型,在此基礎上通過分子模擬研究了氣體分子在其中的吸附微觀機理,并考查了缺陷對吸附熱及吸附選擇性的影響。具體內容如下：1、采用基團貢獻的思想,通過計算化學的方法研究了具有不同骨架結構的MOF材料的熱容,給出了組成MOF材料的次級結構單元的熱容數據庫,為MOF材料熱容的計算提供了基礎。2、建立了具有配體缺陷的UiO-66的結構模型,脫去材料的配位水,通過GCMC模擬考查了具有缺陷的材料對CO2/N2和CO2/CH4的分離性能。研究結果表明,具有缺陷的UiO-66材料比完美的材料吸附CO2的能力高很多,并研究了其中的微觀分離機理,為新材料的設計提供了理論依據。3、考查了缺陷位置處的配位水分子對材料性能的影響。研究發(fā)現,配位水分子的存在大大的降低了配體缺陷的UiO-66材料對氣體的吸附能力和吸附選擇性。
【關鍵詞】：金屬-有機骨架材料 分子模擬 熱容 吸附分離 缺陷
【學位授予單位】：北京化工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：O641.4;O647.3
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-15
• 符號說明15-16
• 第一章 緒論16-34
• 1.1 引言16-17
• 1.2 金屬-有機骨架(MOF)材料簡介17-23
• 1.2.1 IRMOF系列材料17-19
• 1.2.2 ZIF系列材料19-20
• 1.2.3 MIL系列材料20-21
• 1.2.4 UiO系列材料21-22
• 1.2.5 Pocket-Channel結構材料22-23
• 1.3 計算化學簡介23-28
• 1.3.1 量子化學方法24-25
• 1.3.2 分子力學方法25-26
• 1.3.3 分子模擬方法26-28
• 1.4 計算化學在MOF材料領域的應用28-29
• 1.4.1 量子化學方法在MOF材料中的應用28-29
• 1.4.2 分子模擬方法在MOF材料中的應用29
• 1.5 MOF材料在氣體吸附分離方面的應用29-31
• 1.6 選題依據及意義31-32
• 1.7 本論文的創(chuàng)新之處32-34
• 第二章 基團貢獻法計算納微結構材料的熱容34-46
• 2.1 引言34-35
• 2.2 模型和計算方法35-40
• 2.2.1 材料的結構模型35-37
• 2.2.2 計算方法37-40
• 2.3 結果與討論40-45
• 2.3.1 有機官能團的熱容40
• 2.3.2 Zn_4C_6O_(13)的熱容40-42
• 2.3.3 Cu_2C_4O_8的熱容42-44
• 2.3.4 Zn_2C_4O_8的熱容44-45
• 2.4 本章小結45-46
• 第三章 配體缺陷的UiO-66對氣體的吸附分離研究46-62
• 3.1 引言46-47
• 3.2 計算模型和方法47-53
• 3.2.1 配體缺陷的UiO-66(Zr)結構的建立47-49
• 3.2.2 材料電荷49-51
• 3.2.3 分子模型與力場參數51-52
• 3.2.4 模擬細節(jié)52-53
• 3.3 結果與討論53-61
• 3.3.1 力場的驗證53-54
• 3.3.2 CO_2、CH_4、N_2的單組分吸附54-57
• 3.3.3 CO_2/N_2、CO_2/CH_4的二元混合物的分離57-61
• 3.4 本章小結61-62
• 第四章 配位H_2O分子對配體缺陷的UiO-66材料吸附分離氣體的影響62-72
• 4.1 引言62
• 4.2 計算模型和方法62-66
• 4.2.1 含H_2O的配體缺陷的UiO-66(Zr)結構的建立62-63
• 4.2.2 材料電荷63-64
• 4.2.3 分子模型與力場參數64-65
• 4.2.4 模擬細節(jié)65-66
• 4.3 結果與討論66-70
• 4.3.1 配位H_2O分子對缺陷材料吸附單組分氣體的影響66-68
• 4.3.2 配位H_2O分子對缺陷材料雙組分選擇性的影響68-70
• 4.4 本章小結70-72
• 第五章 結論72-74
• 參考文獻74-80
• 致謝80-82
• 作者簡介82-84
• 導師簡介84-86
• 附件86-87

【參考文獻】

中國期刊全文數據庫 前6條

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本文編號：770476