金屬-有機(jī)骨架材料中氣體混合物吸附分離行為的分子模擬研究.pdf

1、金屬-有機(jī)骨架材料(metal-organic frameworks,MOFs)是近期出現(xiàn)的一種類沸石新型納米多孔材料,它具有種類多樣性、高比表面積及良好的熱穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性與可調(diào)控性等優(yōu)點(diǎn)。目前該材料已成為材料領(lǐng)域的一個(gè)研究前沿與熱點(diǎn)話題,獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特征使其在儲氣、分離、催化、生物化學(xué)及制藥等領(lǐng)域具有廣闊的潛在的應(yīng)用價(jià)值。
　　 本論文首先提出了一種基于納米多孔材料中的吸附熱力學(xué)階梯現(xiàn)象(thermodynamic ste

2、pped behavior)對混合物進(jìn)行分離的新型方法。在研究中選擇了五種具有不同孔徑但具有相同化學(xué)組成的IRMOF材料(即IRMOFs-8,-10,-12,-14和-16)作為MOF材料的典型代表,采用GCMC模擬方法,系統(tǒng)地研究了CO2／N2混合物(摩爾組成15:85)在材料中的分離行為,并探索了其潛在機(jī)理。研究結(jié)果表明,吸附曲線中出現(xiàn)的階梯現(xiàn)象可以極大地提高M(jìn)OF‘材料對混合物中CO2氣體的分離選擇性。通過分析體系中流體.流體以及

3、流體-MOF材料之間的各種相互作用以及兩組分之間的吸附熱之差隨壓力的變化關(guān)系,發(fā)現(xiàn)這種階梯現(xiàn)象主要是由于CO2分子之間的靜電力相互作用所導(dǎo)致,從而使得材料對CO2／N2混合物中CO2的分離選擇性急劇升高。此外,研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)這種階梯現(xiàn)象受到材料孔徑和溫度的極大影響。在此基礎(chǔ)上,我們選擇以IRMOF—16為母體材料,通過用四個(gè)O-Li基團(tuán)分別取代其有機(jī)配體上的H原子,設(shè)計(jì)了一種鋰改性金屬-有機(jī)骨架材料IRMOF-16-4Li,發(fā)現(xiàn)此改性材

4、料不僅可以降低階梯現(xiàn)象發(fā)生時(shí)的壓力點(diǎn),而且還可以進(jìn)一步提高M(jìn)OF材料對CO2／N2混合物的分離選擇性。因此,這種利用階梯現(xiàn)象對混合物進(jìn)行分離的方法,不僅能夠提高混合物的分離選擇性,獲得了良好的分離效果,而且為吸附分離技術(shù)提供了一種可靠有用的方法。
　　 此外,本論文還簡單地計(jì)算了298 K下ZIF系列材料對SO2純組分的吸附行為以及SO2／CO2混合物在ZIFs中的分離行為。對于ZIF材料,研究結(jié)果表明材料表面上官能團(tuán)對純組分吸