导　　师： 奚红霞; David S.Sholl

授予学位： 博士

作　　者： (）;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 工业分离和能源储存是人类工业文明发展的两个重要命题。随着对这两个领域的理论和实践研究的不断深入,作为分离和储存技术的一种,吸附技术以低成本、操作灵活性等优势而逐渐被人们重视。吸附技术以吸附剂为核心,金属有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)作为一种新型的多孔吸附材料,具有传统多孔材料所无可比拟的优越吸附分离性能。现存MOFs材料已多达七万种,仅借助实验化学所耗费的时间成本和实验成本将大大限制MOFs材料的发展。相对而言,计算化学不仅可以高效地模拟现存MOFs的吸附分离行为并探究其机理,还能预测未合成MOFs的性能,为合成实验提供指导信息。鉴于此,本论文综合运用多种计算化学方法,包括巨正则蒙特卡洛算法(Grand Canonical Monte Carlo,GCMC)、密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)和理想吸附溶液理论(Ideal Adsorbed Solution Theory,IAST)等,从工业分离和能源储存两大领域中选取几种有代表性的研究体系,以开展相关研究工作:工业分离方面,选择了燃油中的有机氮化物、乙烷/乙烯、甲苯/苯、甲醇/丙酮等几种混合体系;能源储存方面,选择了甲醇和天然气作为研究对象。对于燃油中有机氮化物的分离,本文对比研究了MIL-101(Cr)、MIL-100(Fe)和Cu-BTC对化石燃料中碱性不同的有机氮(喹啉、吲哚)的吸附分离性能。MIL-101(Cr)对有机氮的低压吸附能力(喹啉:14.2 mg/g,吲哚:8.5 mg/g)比其他两种MOFs更强,且MIL-101(Cr)对化石燃料成分的选择性大小顺序为:有机氮(喹啉:234.0,吲哚:79.1)>>有机硫(苯并噻吩:4.0,甲基苯并噻吩:3.2)>萘(1.0),表明MIL-101(Cr)分离有机氮的可行性。DFT的计算结果阐明了氮化物的碱性对吸附机理的影响,碱性的喹啉主要通过氮原子的孤对电子与金属中心发生静电作用(-61.3 kJ/mol),非碱性的吲哚(-38.3 kJ/mol)、咔唑(-42.5 kJ/mol)主要通过O-氢键的作用,

关 键 词： 计算化学 金属 有机骨架材料 材料功能化 有机物分离 能源储存

领　　域： [] []