【摘 要】
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金属有机骨架材料是一种具有广泛应用前景的新型多孔材料。本文通过计算机分子模拟方法对烷基功能化Cu-BTC（Cu-benzene-1,3,5-tricarboxylic acid）金属有机骨架材料进行了较为系统的研究,采用第一性原理方法研究了该材料的结构,采用巨正则蒙特卡罗方法和理想吸附溶液理论对该类材料的吸附能力和吸附选择性进行了模拟计算,探究了该类材料在干燥和含水条件下的吸附行为和吸附机理。主要
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金属有机骨架材料是一种具有广泛应用前景的新型多孔材料。本文通过计算机分子模拟方法对烷基功能化Cu-BTC（Cu-benzene-1,3,5-tricarboxylic acid）金属有机骨架材料进行了较为系统的研究,采用第一性原理方法研究了该材料的结构,采用巨正则蒙特卡罗方法和理想吸附溶液理论对该类材料的吸附能力和吸附选择性进行了模拟计算,探究了该类材料在干燥和含水条件下的吸附行为和吸附机理。主要研究结果如下:（1）烷基基团的添加可以改变有机连接体基团分子的各向异性,其原子配分电荷也发生了相应的变化。研究表明,甲基功能化Cu-BTC（简称Cu-MBTC）和乙基功能化Cu-BTC（简称Cu-EBTC）的孔隙率和质量表面积均有一定程度的减小。因此,相对于Cu-BTC,Cu-MBTC和Cu-EBTC对CO2,CH4和N2的饱和吸附量有所下降,但并不改变材料对CO2,CH4和N2的吸附量大小顺序。在298 K条件下,在0-5000 k Pa的范围内,Cu-BTC,Cu-MBTC和Cu-EBTC对三种气体的吸附量大小依次为CO2＞CH4＞N2。（2）分子数密度分析表明烷基官能团为材料吸附气体分子提供了新的位点,有利于调控材料的吸附选择性。吸附选择性的研究结果发现,与Cu-BTC相比,Cu-EBTC的吸附选择性提高了50%以上,在从CO2/N2和CO2/CH4的混合气体中吸附分离CO2等方面有潜在的应用前景。（3）巨正则蒙特卡罗模拟材料对水的吸附行为表明,烷基基团的添加减少了材料对水的吸附能力,有利于提高其水热稳定性。（4）第一性原理计算材料对水的吸附热表明,Cu-MBTC和Cu-EBTC对水的吸附热低于Cu-BTC对水的吸附热。配位水分子的添加增强了Cu-BTC吸附CO2的能力,在4wt%水负载时,Cu-MBTC吸附CO2的能力有所增加,但配位水分子的存在降低了Cu-EBTC吸附CO2的性能。同时我们发现微量水分子的存在可以将Cu-EBTC对CO2/N2的吸附选择性提高1倍以上,而且压强和CO2/N2的比例对其吸附选择性的影响很小。这为金属有机骨架材料在气体吸附分离等领域的广泛使用提供了理论依据。
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