金屬-有機(jī)骨架材料MOF-5中烷烴分子擴(kuò)散性質(zhì)分子模擬研究.pdf

1、金屬-有機(jī)骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是一類新型的多孔納米材料,它具有很多優(yōu)點:具有較好的熱穩(wěn)定性、具有多樣性的組織結(jié)構(gòu)、具有較大的比表面積和很高的孔隙率。因此,在分離、催化和儲能等領(lǐng)域的應(yīng)用前景很廣闊。在這類材料中,MOF-5材料是很典型的,它具有很規(guī)則的孔道結(jié)構(gòu),形成了很有序的空間結(jié)構(gòu),能反應(yīng)出一般MOFs的基本特性。在工業(yè)生產(chǎn)中,烷烴又是作為最基礎(chǔ)的原料。因此,研究其在多孔材料中的擴(kuò)散性質(zhì)

2、,具有很重要的現(xiàn)實意義。本文就是以MOF-5為材料,以Cl-C4烷烴作為客體分子,采用分子模擬的方法研究了各個因素對分子擴(kuò)散的影響。這對這類材料的實際應(yīng)用和新材料的開發(fā)具有指導(dǎo)意義。
　　 本文主要采用分子動力學(xué)來進(jìn)行模擬研究,材料骨架采用柔性和剛性的力場作為對比。研究的主要內(nèi)容如下:
　　 (1)驗證所選力場參數(shù)的可靠性。根據(jù)參考文獻(xiàn)和資料,選取合適的分子和骨架力場參數(shù),選擇所要用的模擬程序,進(jìn)行分子模擬。在相同的條件

3、下所得結(jié)果和文獻(xiàn)對比,吻合較好。
　　 (2)對溫度、分子數(shù)、骨架柔性和剛性、烷烴鏈長四個因素分別進(jìn)行分析。在相同條件下,MOF-5骨架采用柔性和剛性力場作為模擬對比。各種烷烴都表現(xiàn)出當(dāng)骨架為柔性時的自擴(kuò)散系數(shù)大于骨架為剛性時的。柔性骨架更有利于分子的擴(kuò)散。
　　 (3)其它因素相同,改變擴(kuò)散分子的鏈長進(jìn)行模擬。發(fā)現(xiàn)擴(kuò)散分子都是隨著鏈的增長自擴(kuò)散系數(shù)都是減小的。分子的鏈越長,分子之間以及分子和材料之間的相互作用都增加,碰

4、撞加劇,擴(kuò)散分子之間的相對運動空間減小,擴(kuò)散減小。
　　 (4)溫度和分子數(shù)這兩個單因素是交互作用的。在較低200 K溫度時,分子動能較小,材料對分子的吸附作用較強(qiáng),起主要作用,導(dǎo)致擴(kuò)散分子自擴(kuò)散系數(shù)Ds會隨所吸附的分子數(shù)增加而增加,達(dá)到一個極大值后又由于分子間相互阻礙開始降低。在較高溫度300 K和500 K時,分子的動能隨溫度的升高而增加,這時擴(kuò)散分子能夠在一定程度上克服材料對其吸附的限制作用,所以此時分子以擴(kuò)散為主。當(dāng)分子