材料基因组学指导下气体吸附和分离材料的计算研究
气体分离和净化是生产大宗化工产品的关键工业过程，但传统上大多数工业化学分离依赖于耗能的热驱动技术，且对相关的工艺设备要求较高。近年来，金属有机骨架材料（MOFs）因其高比表面积、可调孔径和功能可调性等特点，在气体分离领域展现出良好的应用前景。本文采用高通量分子模拟方法，系统的研究了计算就绪的MOFs（CoREMOFs）用于氢同位素（D2/H2）分离、烟气中脱硫（SO2）以及天然气中提取氦气（He），并揭示MOFs的结构-性能关系和理论上提供性能最佳的MOFs，主要内容如下： （1）对12020个CoREMOFs进行了高通量计算筛选，以确定用于D2/H2分离应用的最佳MOFs。同时，借助机器学习（ML）系统地研究了MOFs的结构-性能关系。ML预测结果表明，加入吸附度特征描述符后，四种ML方法的预测精度都有显著提高。此外，基于XGBoost模型的ML结果还显示，吸附度描述符具有最高的相对重要性。在等摩尔比条件下，进一步对1548个理想吸附选择性大于1.5的MOFs进行D2/H2二元混合物模拟。结构-性能关系表明，高吸附选择性MOFs通常具有较小的孔径（3~5?）和较低的比表面积，且在前200名MOFs中，材料主要拓扑类型是sql、pcu、cds、hxl和ins。最后，三种具有一维微孔结构的MOFs被确定为最佳候选材料，这项工作中获得的结果为实验合成具有高D2/H2分离性能的MOFs提供了指导。 （2）从CoREMOFs中选择出1492个含有高氧化态金属中心的MOFs，并进行SO2、CO2、N2三组分巨正则蒙特卡洛模拟，评估CoREMOFs对空气中SO2的吸附分离能力。通过对筛选出的4个高性能MOFs进一步分析发现，在低压下（0.1bar），IXEJOM的吸附量达到12.6mmol·g-1，超过目前实验报道的SO2吸附量最高的材料。利用质心分布图和径向分布函数图，明确SO2分子中的O优先与OQUFAJ04和IXEJOM骨架中金属Zr相互作用；SO2分子中O与TOXNIF和TAKTIL骨架中-OH中H距离最近。 （3）对6006个CoREMOFs进行He/CH4膜分离模拟，首先，探究了在理想条件下He/CH4在MOFs膜上的分离性能，发现He/CH4膜分离主要受扩散过程影响，且CH4的扩散更易受孔径的影响。使用XGBoost模型预测理想膜选择性的R2达0.79。同时，具有高理想膜选择性和高理想扩散选择性的MOFs，其孔径在3.64~4?之间。进一步对810个大于全氟聚合物2019上限的MOFs进行He/CH4二元混合体系模拟，以探究在真实条件下的膜分离性能。通过分析膜选择性和材料结构之间的关系，明确两个最佳性能的MOFs膜材料（YIWLUL和MANLAP），为He/CH4体系的分离提供了新型的膜材料。
金属有机骨架材料;分子模拟;机器学习;气体分离
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
阳庆元
2022
中文
TQ424
2022-11-02（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）