功能化金屬-有機骨架材料在潮濕條件下對CO2吸附分離行為的分子模擬研究.pdf

1、隨著化石原料的大量消耗，大氣中CO2含量升高，溫室效應(yīng)加劇，減少和控制CO2的排放是目前面臨的巨大挑戰(zhàn)。金屬有機骨架化合物（Metal-organic frameworks,MOFs）由于可控的形貌、良好的熱穩(wěn)定性、較大的比表面積和孔隙率等一系列優(yōu)良特性被認為是最有前途用于CO2吸附分離的材料。盡管國內(nèi)外已經(jīng)報道了多種對CO2具有良好吸附與分離性能MOF材料，然而MOF材料在潮濕條件下的不穩(wěn)定性已成為影響其在CO2吸附分離應(yīng)用方面的主要

2、障礙。因此探討MOF材料在水相條件（潮濕環(huán)境）下能否穩(wěn)定存在，揭示水分子對CO2吸附量及選擇性參數(shù)的影響，對設(shè)計與合成水相穩(wěn)定的金屬有機骨架化合物具有重要意義。
　　近年來發(fā)展起來的分子模擬方法能夠快速對大量MOF材料進行研究，獲得有效的構(gòu)效關(guān)系，同時能夠?qū)鹘y(tǒng)實驗手段做出補充，從分子層面揭示吸附機制。本論文采用GCMC方法研究了經(jīng)甲基、全氟甲基、氨基、硝基功能化MOF材料在干燥與潮濕條件下對CO2的吸附分離性能，揭示功能性基團對

3、CO2吸附分離性的影響。論文的主要研究結(jié)果如下：
　　(1)向MOF材料有機配體中引入不同官能團時，能夠有效的改變MOF材料與吸附質(zhì)之間的靜電作用，從而影響吸附質(zhì)在其中的吸附性能。
　　(2)CO2與H2O在功能化MOF中的吸附行為與其孔道結(jié)構(gòu)及拓撲結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。對于孔徑較大且僅有一維孔道的MOF體系，CO2在功能化MOF材料中的吸附量均有所增加。H2O在氨基、硝基功能化MOF材料中吸附量增加，而向MOF材料中引入多個甲基和

4、全氟甲基時，易形成疏水孔道，H2O在其中的吸附量下降。對于孔徑較小的MOFs材料，功能化基團引入導(dǎo)致孔徑降低，CO2與H2O在其中的吸附量降低。疏水性基團甲基和全氟甲基對CO2吸附性的影響效果沒有太大差別。
　　(3)潮濕條件下，CO2在氨基及硝基功能化MOF材料中吸附量明顯下降。向孔徑較大且為一維孔道MOF中引入多個甲基和全氟甲基能夠有效降低H2O對CO2吸附性能影響。當引入的疏水性基團能夠較好形成疏水孔道或者有效遮蔽水分子傾向