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金属-有机骨架材料气体分离性能的分子模拟研究

作　者: 单超
导　师: 仲崇立
学　校: 北京化工大学
专　业: 化学工程与技术
关键词: 金属-有机骨架材料吸附分离分子模拟烟道气天然气 UiO-66(Zr)
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一类新型的功能性纳米材料,具有复杂多变的结构特性和良好的性能表现。该材料在气体储存与分离、催化、生物医学、药品制造等诸多方面受到了研究人员的广泛关注,逐渐成为了材料领域的研究热点。计算化学方法是一种新兴且发展迅速的研究方法,通过该方法,研究人员能够方便地对材料的构效关系进行研究,对数量庞大的材料进行预筛选,较传统的实验研究方法节省了大量的物力与人力。本论文的工作就是运用计算化学方法研究MOF材料在烟道气分离和天然气净化中的吸附分离性能,得到了一些有用的结论与规律。本论文的研究内容主要包括：1.研究UiO-66(Zr)系列材料对烟道气和天然气的分离与净化性能,并考察了该材料的同时脱硫脱碳能力。研究结果表明,该系列材料不仅对CO2/N2体系和H2S/CH4体系具有很好的分离性能,还表现出了良好的同时脱硫脱碳的能力,使其有希望成为现阶段工业应用中常用的传统多孔沸石和活性炭的替代材料。2.研究微量杂质(H2O、SO2)对UiO-66(Zr)材料分离烟道气性能的影响。研究手段包括径向分布函数、质心分布图、无限稀释吸附热等。结果表明,H20和S02对UiO-66(Zr)的分离性能影响不大。3.研究Hydrd-UiO-66(Zr)材料有机配体的改性对其吸附分离性能的影响,研究的气体组分为H2S/CH4混合物。结果表明,在本工作中用到的改性基团都能够增强材料与气体组分之间的作用力,进而提高材料的吸附分离性能。另外,在实际工业生产中选择吸附剂时,应该同时考察吸附剂的吸附选择性和工作容量。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-14
第一章绪论  14-32
  1.1 引言  14-15
  1.2 金属-有机骨架材料(MOFs)简介  15-22
    1.2.1 IRMOF系列材料  16-18
    1.2.2 ZIF系列材料  18-19
    1.2.3 MIL系列材料  19
    1.2.4 PCN系列材料  19-20
    1.2.5 CPL系列材料  20-21
    1.2.6 UiO系列材料  21-22
  1.3 计算化学研究方法简介  22-27
    1.3.1 分子力学方法  22-23
    1.3.2 分子模拟方法  23-27
  1.4 计算化学在MOFs研究中的应用  27-28
  1.5 选题依据与研究内容  28-30
  1.6 本论文创新点  30-32
第二章计算化学方法学习与验证  32-42
  2.1 研究方法介绍  32-36
    2.1.1 GCMC模拟  32-33
    2.1.2 分子动力学模拟  33-34
    2.1.3 MOF膜的渗透性计算  34-36
  2.2 IRMOF-1相关研究  36-39
  2.3 Cu-BTC相关研究  39-41
  2.4 本章小结  41-42
第三章杂质对UiO-66(Zr)分离烟道气性能影响的研究  42-58
  3.1 引言  42-43
  3.2 模型与模拟细节  43-46
    3.2.1 UiO-66(Zr)的结构  43
    3.2.2 分子模型与力场参数  43-45
    3.2.3 模拟细节  45-46
  3.3 结果与讨论  46-57
    3.3.1 CO_2/N_2二元混合物的分离  46-51
    3.3.2 H_2O对CO_2/N_2体系分离的影响  51-54
    3.3.3 SO_2对CO_2/N_2体系分离的影响  54-57
  3.4 本章小结  57-58
第四章 UiO-66(Zr)系列材料对天然气净化性能的研究  58-70
  4.1 引言  58-59
  4.2 模型与模拟细节  59-63
    4.2.1 UiO-66(Zr)改性材料的结构  59-60
    4.2.2 分子模型与力场参数  60-62
    4.2.3 模拟细节  62-63
  4.3 结果与讨论  63-68
    4.3.1 金属团簇上的羟基对分离效果的影响  63-64
    4.3.2 有机配体的改性对分离效果的影响  64-68
  4.4 本章小结  68-70
第五章结论  70-72
参考文献  72-82
致谢  82-84
作者简介  84-86
导师简介  86-87
附件  87-88

金属-有机骨架材料气体分离性能的分子模拟研究

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