金属有机骨架(MOFs)材料的理论研究.ppt

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1、金属有机骨架(MOFs)材料的理论研究答辩学生李万国学号09510121指导老师李维学（教授）123绪论MOFs的理论研究MOFs储氢性能研究金属有机骨架(MOFs)材料的理论研究MOFs的组成金属有机骨架（MOFs）是由含氧、氮等的多齿有机配体（大多是芳香多酸和多碱）与过渡金属离子自组装而成的配位聚合物Metal-organicframeworks1绪论MOFs国内外发展状况目前，国外开展MOFs材料研究的机构主要有美国密歇根大学Yaghi研究小组。该小组致力于MOF-5的研究，自1995年以来合成了MOF-5，并对其进行了大量的理论和实验研究。催化剂气体

2、储存气体分离吸氢量少常温储氢量少储氢机理孔径大小孔隙率比表面积等量吸附热多孔性大比表面积结构的多样性MOFs储氢性能的影响因素特点应用展望中的难题绪论软件介绍Ms是专门为材料科学领域研究者开发的一款可运行在PC上的模拟软件。使化学及材料科学的研究者们能更方便地建立三维结构模型，并对各种晶体、高分子材料的性质及相关过程进行深入研究。Ms软件其中采用的模块有Discover，COMPASS，Cell等。MaterialsStudio2MOFs理论计算MOFs的理论计算量子力学分子力学计算化学方法MOFs的理论计算定义势函数形式定义原子类型定义参数化流程确定训练基

3、拟合参数MOFs材料储氢性能的研究储氢的意义不可再生的化石能源现在已经成为当今社会比较敏感的一个话题，虽然它对地球环境有的污染极大，但人类目前却无法摆脱，所以现在急需要一种可再生无污染的能源来拯救世界。而氢能源的出现正好就解决了这一难题，但怎样去经济的储氢就显得很重要。现在储氢的方法主要有：高压储氢、液化储氢、氢气水合物储氢、有机液体储氢和吸附储氢。而近年来，新崛起的金属有机骨架配合物是用于吸附储氢的一种新型材料。MOFs材料储氢性能的研究影响MOFs材料储氢性能的主要因素①孔径大小和孔隙率②比表面积③等量吸附热④有机配体⑤金属离子金属有机骨架材料MOF-5

4、宽温区储氢性能模拟研究1力场模型建立力场模型是分子模拟中非常重要的部分。在本研究中，氢气采用的是Buch模型，对于MOF-5骨架结构采用的是全原子模型，在模拟计算中MOFs骨架结构被认为是刚性的，氢气与MOF-5原子之间的相互作用采用Lorentz-Berthelot棍合法则。2模拟方法巨正则系综蒙特卡罗方法(GCMG)在模拟过程中保证系统本身的化学位μ、体积V和温度T不变，而体系内的粒子数是可变的，可以直接模拟计算各种分子在特定体系内的平衡吸附量。分子模拟得出结果是模拟系统内的气体分子总数，它对应的是MOF-5的绝对吸氢能力。氢气在MOF-5中的吸附等温线

5、结果与讨论我们分别对77-298K范围内的12个温度点，及0-8MPa的压力下，氢气在MOF-5中的吸附等温线进行了模拟研究，其结果如上图所示。由图中可以看出，在恒定温度下，氢气的吸附量随着压力的增加而增加，在低压时吸附量增加较快，说明吸附速度较快;随着压力升高，吸附量增加的速度减缓，当压力达到6MPa时，吸附量增加已比较平缓。同时，77K吸附量最大，从77K到133K，同一压力下吸附量增加速度放缓，吸附速度下降较明显，温度继续升高，吸附速度渐趋于零，温度升至193K以上，变化已经微乎其微，吸附速度只在0-30MG/G下变化。由此可以看出，氢气的吸附量随着压

6、力的增大而增大，随温度的升高而减小，而吸附速度随压力的升高而减缓，随着温度升高而减慢。结果与讨论3.3.3吸附位点为了进一步研究MOF-5材料中的吸附行为，通过统计100万步氢吸附的蒙特卡罗数据，得到氢分子相对密度图5。而图5(a),5(b),5(c)显示，在0.1MPa下，氢分子集中吸附在金属团簇周围，随着压力的逐渐升高，在4MPa时，金属团簇周围接近饱和，氢分子另一重要吸附位点在具有较大接触面积和结合能的有机连接体，而压力达到8MPa时，金属团簇及有机连接部分仍然是吸附氢气相对密度最大的部分，同时孔道中间气相部位气体密度有所提高，但相对比例较小，而在29

7、8K时，孔道中间气相部分氢分子出现的相对密度比77K条件下大得多，氢分子的分布比较广泛。从图5(c),5（d）,5(f)可看出，在133K下，氢分子主要集中在金属团簇以及有机连接体BCD周围，在77K下，吸附量较大，这种现象尤为明显。温度的影响结果与讨论4结论通过用巨正则系综蒙特卡罗(GCMG)方法模拟MOF-5材料在低温宽温区(77K-300K)范围的吸附等温线，并结合吸附位点得到以下结果:(1)氢气的吸附量随着压力的增大而增大，低压时增加趋势较大，高压段，随着压力的增加，增大趋势趋于平缓。l2)氢气的吸附量随着温度的降低而增大，温度越低，吸附量随压力升高

8、而增加的趋势越明显。(3)低温下，氢气与MOF-5的