金屬—有機(jī)骨架材料中天然氣存儲(chǔ)的分子模擬研究及MOF-5的實(shí)驗(yàn)合成

【摘要】： 金屬—有機(jī)骨架材料(metal-Organic frameworks,MOFs)是一類類似于沸石的新型多孔材料,具有多樣性的結(jié)構(gòu)組成、較大的比表面積和孔隙率、可裁剪性的孔等特點(diǎn),可應(yīng)用于氣體儲(chǔ)存、分離及催化等領(lǐng)域。計(jì)算化學(xué)不僅可以突破傳統(tǒng)方法的局限性,而且還可為最佳吸附材料的設(shè)計(jì)和最優(yōu)操作條件的確定提供理論依據(jù),實(shí)現(xiàn)從以經(jīng)驗(yàn)為主向定量、定向制備的轉(zhuǎn)變,從而節(jié)省大量繁雜的實(shí)驗(yàn)研究。本工作主要針對(duì)甲烷存儲(chǔ)這一熱門話題,通過分子模擬手段分析其在材料中的吸附機(jī)理,從而設(shè)計(jì)具有更高甲烷存儲(chǔ)量的新材料。此外,為了進(jìn)一步設(shè)計(jì)新材料,我們進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)合成的探索研究。其主要研究內(nèi)容如下: 1、針對(duì)具有最大甲烷存儲(chǔ)量的金屬—有機(jī)骨架材料(MOFs)PCN-14,采用質(zhì)心分布圖研究了甲烷在其中的吸附機(jī)理。結(jié)果表明,PCN-14中主要存在兩個(gè)吸附位,其中金屬簇—苯基區(qū)域中靠近苯環(huán)的位置為第一吸附位,蒽基上方為第二吸附位。兩個(gè)吸附位均與有機(jī)配體有關(guān),有機(jī)配體較之金屬簇在CH_4的吸附中發(fā)揮著重要的作用。 2、在此基礎(chǔ)上,我們通過改變PCN-14的有機(jī)配體,設(shè)計(jì)了具有高存儲(chǔ)量的新型MOF材料PCN-M1和PCN-M2。通過模擬290 K時(shí)的吸附等溫線,發(fā)現(xiàn)新材料PCN-M1和PCN-M2的吸附性能比PCN-14增強(qiáng)很多。在3.5 PMa時(shí),PCN-M1、PCN-M2的吸附量分別達(dá)到了246 v/v、257 v/v,比PCN-14增加了7%、12%。本章接著模擬了298 K和3.5 MPa時(shí)的吸附,PCN-M2對(duì)甲烷的吸附量達(dá)到了241v/v,超過了DOE標(biāo)準(zhǔn)180 v/v的34%。 3、為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述分子模擬結(jié)果,需要實(shí)驗(yàn)合成上述新材料并對(duì)其結(jié)構(gòu)特性以及吸附性能進(jìn)行研究,從而開發(fā)具有更高甲烷存儲(chǔ)量的MOF材料。但是由于本實(shí)驗(yàn)室之前并沒有過實(shí)驗(yàn)合成MOF材料的經(jīng)驗(yàn),所以本人選擇合成晶體結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、合成步驟簡易的MOF-5材料,為本實(shí)驗(yàn)室開展實(shí)驗(yàn)合成MOF材料做前期探索工作,為建立分子模擬—實(shí)驗(yàn)合成共同篩選高性能甲烷存儲(chǔ)材料機(jī)制作前期準(zhǔn)備。 【關(guān)鍵詞】：金屬—有機(jī)骨架材料 天然氣 存儲(chǔ) 分子模擬 合成
【學(xué)位授予單位】：北京化工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2009
【分類號(hào)】：TE82
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-16
• 第一章 緒論16-32
• 1.1 引言16
• 1.2 金屬—有機(jī)骨架材料(MOFs)簡介16-22
• 1.2.1 含羧酸配體的MOFs18-20
• 1.2.2 含氮雜環(huán)配體的MOFs20-21
• 1.2.3 含其他類型配體的MOFs21-22
• 1.3 金屬—有機(jī)骨架材料(MOFs)與實(shí)驗(yàn)合成方法22-24
• 1.3.1 金屬—有機(jī)骨架材料(MOFs)的實(shí)驗(yàn)合成方法22-23
• 1.3.2 金屬—有機(jī)骨架材料(MOF-5)的實(shí)驗(yàn)合成方法23-24
• 1.4 金屬—有機(jī)骨架材料(MOFs)與分子模擬方法24-30
• 1.4.1 蒙特卡洛模擬(MC)25-26
• 1.4.2 分子動(dòng)力學(xué)(MD)26-27
• 1.4.3 分子模擬在MOF材料中的應(yīng)用27-30
• 1.5 選題依據(jù)和意義30-31
• 1.6 本論文創(chuàng)新之處31-32
• 第二章 金屬—有機(jī)骨架材料(PCN-14)甲烷吸附的分子模擬研究32-44
• 2.1 引言32-34
• 2.2 計(jì)算模型和方法34-39
• 2.2.1 GCMC方法原理34-36
• 2.2.2 MOF材料的計(jì)算模型36-38
• 2.2.3 模擬細(xì)節(jié)38-39
• 2.3 結(jié)果和討論39-43
• 2.3.1 力場參數(shù)的驗(yàn)證39-40
• 2.3.2 吸附機(jī)理40-43
• 2.4 本章小結(jié)43-44
• 第三章 新型儲(chǔ)甲烷金屬—有機(jī)骨架材料的設(shè)計(jì)44-56
• 3.1 引言44-45
• 3.2 計(jì)算模型和方法45-50
• 3.2.1 新材料的計(jì)算模型45-47
• 3.2.2 模擬細(xì)節(jié)47-48
• 3.2.3 GCMC模擬過程48-50
• 3.3 結(jié)果和討論50-55
• 3.3.1 力場參數(shù)的驗(yàn)證50
• 3.3.2 新材料的吸附性能50-52
• 3.3.3 新材料的吸附機(jī)理52-55
• 3.4 本章小結(jié)55-56
• 第四章 金屬—有機(jī)骨架材料(MOF-5)的實(shí)驗(yàn)合成56-72
• 4.1 引言56-59
• 4.2 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器設(shè)備59-62
• 4.2.1 實(shí)驗(yàn)試劑59-60
• 4.2.2 實(shí)驗(yàn)所用的表征方法60-62
• 4.3 實(shí)驗(yàn)方法及結(jié)果討論62-64
• 4.3.1 實(shí)驗(yàn)方法62-63
• 4.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果63-64
• 4.4 樣品表征64-70
• 4.4.1 XRD分析64-66
• 4.4.2 IR分析66-67
• 4.4.3 TG-DTA分析67-68
• 4.4.4 BET分析68-70
• 4.5 本章小結(jié)70-72
• 第五章 結(jié)論72-74
• 參考文獻(xiàn)74-82
• 致謝82-84
• 研究成果及發(fā)表的學(xué)術(shù)論文84-86
• 作者和導(dǎo)師簡介86-88
• 碩士研究生學(xué)位論文答辯委員會(huì)決議書88-89

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