材料基因组学指导下乙炔存储与分离材料的高通量计算筛选研究
作为一种重要的工业原料,乙炔常被用来生产各种化工产品,也广泛应用于焊接技术中。乙炔的高度易燃和反应性特性,给其安全储存与运输带来巨大的挑战。即使在无氧室温条件下,乙炔的存储压力也要低于0.2MPa,否则将会产生严重爆炸。近期,金属-有机骨架(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)材料在乙炔的安全存储以及纯化领域受到科学家的广泛关注,展现出了巨大的应用前景。本论文借助于材料基因组学的思想,将含有不饱和配位金属位的双铜船桨型结构单元Cu2(COO)4作为特征材料基因,以剑桥晶体结构数据库中实验报道的材料为基础,建立了一个包含797种Cu-MOF材料数据库,并利用其进行了乙炔气体存储与分离的大规模筛选研究。主要包含以下研究内容与成果: 首先,采用密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)计算手段,开发出能够准确描述乙炔与Cu-OMS相互作用的新力场,并利用其在常温常压下进行了高通量材料计算筛选,基于建立的构效关系,提出了MOF对此体系所需要的最佳结构特征范围。通过计算筛选,发现3个前景MOFs,其乙炔存储性能超过目前已报道任何多孔材料。 在上述工作的基础上,针对C2H2/CO2体系的分离,开发出了适用于描述CO2与Cu-OMS的分子力场,并利用其进行大规模计算筛选研究。结果表明,选出的3种MOF材料在C2H2/CO2选择性和C2H2吸附量方面均超过了目前已经报道过的所有材料。 本论文的研究结果,一方面可为用于乙炔体系的新材料识别和合成节省了大量的财力物力,同时也为今后新型高性能材料的定向设计提供了切实的理论指导。
乙炔;金属-有机骨架材料;存储性能;分离性能;基因组学
北京化工大学
硕士
化学工程与技术
阳庆元
2018
中文
TQ221.242
131
2018-08-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）