金属有机骨架(MOFs)材料的理论研.ppt

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）,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,Metal-organic frameworks,1,1,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。,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

2、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。,Materials Studio,2 MOFs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,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

3、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 孔径大小和孔隙率 比表面积 等量吸附热 有机配体 金属离子,金属有机骨架材料MOF-5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Lo

4、rentz-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、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,结果与讨论,我们分别对77-298 K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，

5、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，77 K吸附量最大，从77 K到133 K，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193 K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. 1 MPa下，氢分

6、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8 MPa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298 K时，孔道中间气相部分氢分子出现的相对密度比77 K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133 K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(77 K-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