气体在多孔有机框架材料中的吸附、扩散与分离的分子模拟研究
当前，大气中人为排放二氧化碳急剧增加造成的全球变暖和气候变化成为人们最关注的环境问题。二氧化碳的捕集和隔离(CCS)技术可以有效的减少固定排放源二氧化碳的排放，将会在未来发挥重大的作用。同时由于煤，石油等化石燃料的巨大消耗和价格的不断提高，寻找新型高效清洁可替代能源成为当前急需解决的问题之一。
甲烷和氢气，由于具有清洁、能量密度高等优势，成为最有前景的新型能源气体。当前，制约甲烷和氢气实际应用的最主要问题是其安全和经济的存储和运输等技术问题。目前最常用的氢气和甲烷存储方式是高压压缩，但该方式存在耗能高及设备昂贵等缺点。多孔材料的吸附存储，具有可逆吸附，操作简单等特点，成为科学界的研究热点。多孔共价有机材料，由于具有密度低、比表面积高、结构和化学可设计性以及水热稳定性高等特点，而成为最有应用前景的新型多孔材料，将为上述问题的解决带来曙光。
本文采用分子模拟方法系统的研究了氢气、甲烷和二氧化碳等气体在两类新型多孔共价有机材料（covalent organic materials，COMs）中的存储、扩散和分离性能，包括多孔芳香骨架材料(porous aromatic frameworks，PAFs)和共价有机骨架材料（covalent organic frameworks，COFs）及其Li掺杂复合材料。同时我们提出了一种快速筛选用于气体分离的多孔材料的模型。本文的主要内容和创新点如下:
1.系统研究了CO2、CH4、H2和N2四种气体在多孔芳香骨架材料中的吸附。结果表明，PAFs材料是一类具有潜在应用价值的气体存储材料。在35 bar时，CH4在PAF-302中的质量吸附量达到了238 mg/g。另外，在50 bar时，CO2在PAF-303和PAF-304中的吸附量分别达到了3432和3124mg/g，要大于MOF-200(2437 mg/g)和MOF-210(2396 mg/g)的吸附量。对于PAF-301，由于其孔径只有5.2(A)，其吸附热要远远的大于其他三种材料。随着吸附量的增加，气体吸附热表现出了不同的变化趋势。对于CO2和CH4在PAF-301中的吸附热，在吸附量低时缓慢增加，随着吸附量的增加则迅速降低。而对于其他几种材料，由于吸附质分子的协同作用，吸附热呈现缓慢增加的趋势。
2.采用分子动力学研究了H2和CH4在共价有机骨架及Li掺杂复合物中的扩散行为。研究表明Li掺杂对于气体在COFs中的扩散具有重大影响。随着压力的增加，H2和CH4在未掺杂的COFs中的自扩散系数(Ds)单调下降。Li掺杂后，Ds的变化趋势发生了明显的改变。随着压力的增加，在Li掺杂的COFs中，CH4的Ds在低压下首先增加，然后达到一个峰值，最后在高压下缓慢下降。通过等势面、质心分布图以及径向分布函数对于H2在COFs和Li掺杂的COFs中的扩散机理进行了诠释。
3.研究了Li掺杂对气体在共价有机骨架中的分离行为的影响。对于吸附分离过程，Li掺杂提高了材料对于CH4和H2的作用力差，从而极大地提高了材料的吸附选择性。而对于动力学分离或者膜分离过程，Li掺杂则会降低其渗透选择性。相反，未掺杂的COFs表现出了很高的渗透选择性和渗透性，其值要比掺杂Li的COFs大一个数量级。与其他含有金属位点的MOFs材料和沸石相比，COFs膜表现出了优秀的渗透选择性和渗透性。尤其是对于COF-105和COF-108，其渗透性分别达到了1.15×106和1.00×106 Barrer，几乎高于所有的MOFs和沸石材料。这表明COFs膜在膜分离中具有很大的潜在应用价值。
4.研究了PAFs材料对于CO2等气体的分离。研究表明，PAF-301对CO2/H2、CO2/N2、CO2/CH4和CH4/H2等气体混合物表现出优异的吸附选择性，其选择性要远远大于其他三种PAFs。通过分析吸附热差随压力的变化，发现可以用吸附热差（difference of isosteric heats，DIH）的变化很好地描述选择性的变化。我们提出了一种通过零压下的吸附热差来快速计算多孔材料选择性的方法，并根据Langmuir吸附理论成功推导了选择性与吸附热差的方程，即DIH方程。通过与实验数据进行对比，发现该方程可以用于MOFs、COFs、PAFs等多孔材料对于多种气体混合物的选择性预测。表明该DIH方程是快速筛选用于气体分离的多孔材料的有效模型。
多孔有机框架材料;能源气体;分子模拟;分离性能;存储材料
北京化工大学
博士
化学工程与技术
曹达鹏
2013
中文
TB383
125
2013-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）