多孔金属有机骨架材料储氢性能分子模拟

采用优化的DREIDING力场参数, 通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对H₂在IRMOF-1、IRMOF-61和IRMOF-62共3种金属有机骨架(MOFs)材料中的吸附平衡性能进行了比较研究. 结果表明, 该力场能够在全压力范围内很好地复制H₂在IRMOF-62材料中的等温吸附曲线; 但对低压下H₂在IRMOF-61中的等温吸附曲线预测出现低估. 与IRMOF-1相比, 具有互穿骨架结构的IRMOF-61和IRMOF-62材料在常温下的储氢能力并无明显提高. 进一步比较77 K时100 kPa、3.0 MPa下H₂在上述MOFs材料中达到吸附平衡时的几率密度分布发现, H₂会优先吸附在Zn₄O骨架附近靠近苯环的位置;对具有互穿结构的MOFs材料而言,由于其孔腔尺寸缩小, 使得H₂优先吸附位区域零散化. 适当长度的有机配体形成的互穿骨架结构能增强与H₂分子之间的相互作用, 具备较高的储氢能力; 而有机配体尺寸过长则会增加骨架结构中H₂吸附死角, 对H₂的吸附能力反而出现下降.     

气体在纳孔分子材料中吸附的理论模拟研究进展

纳孔分子材料是由孤立分子通过非共价相互作用堆积形成的具有纳微孔道结构的材料.和传统共价网络孔材料相比,纳孔分子材料具有独特的溶解性,并兼具气体存储与分离,限域反应和催化等方面的潜在应用,已成为当前研究的新热点.通过着眼于新型纳孔分子材料的设计,对相关理论研究进行了综合评述,主要包括以下3个方面:(1)无论是气体吸附还是催化反应,纳孔分子材料的晶体结构预测都是先决条件,只有在纳孔分子材料的晶体结构得到准确预测的前提下,才能够定向、准确、系统地对其进行设计;(2)气体在纳孔分子材料中吸附的分子动力学研究有助于深刻理解气体吸附的微观传输扩散机制;(3)气体在纳孔分子材料中吸附的巨正则蒙特卡洛模拟有利于对设计材料的吸附性能进行直接预测,得到可以直接与实验吸附量、吸附热等信息进行比较的结果.最后,简述了理论设计新型纳孔分子材料存在的问题以及未来发展前景.     

用于高效去除水中孔雀石绿的三层结构磁性复合材料Fe3O4@聚丙烯酸@ZiF-8的制备

设计并合成了一种以磁性纳米粒子为核,聚合物为中间层,金属有机骨架材料为外层的三层结构磁性复合材料(Fe₃O₄@PAA@ZIF-8)。首先利用溶剂热法制备Fe₃O₄纳米粒子,然后通过蒸馏沉淀聚合法在Fe₃O₄纳米粒子表面包覆聚丙烯酸(PAA)层,最后通过原位沉积法在PAA外部包覆ZIF-8。在对Fe₃O₄@PAA@ZIF-8的组成和结构进行表征的基础上,深入研究其对孔雀石绿(MG)的吸附性能。透射电子显微镜(TEM)显示Fe₃O₄@PAA@ZIF-8具有明显的三层结构,Fe₃O₄的平均粒径为117nm,PAA层厚度约为17 nm,ZIF-8层的厚度约为14 nm。Fe₃O₄@PAA@ZIF-8对MG的吸附量随着p H的升高而增大,吸附过程符合准二阶动力学模型和Langmuir等温吸附模...     

ZIF-8吸附剂上CH4/N2的吸附分离性能与热力学性质

将沸石咪唑酯骨架结构材料应用于抽放煤层甲烷的浓缩净化研究。以三乙胺(TEA)为导向剂,ZnSO₄为金属离子源,水为溶剂,采用水热合成法进行了ZIF-8吸附剂的制备。采用XRD、物理吸附、动态吸附分离和反相气相色谱(IGC)等方法对ZIF-8的物理结构、化学稳定性、吸附分离性能和热力学性质进行了研究。结果表明,ZIF-8具有良好的化学稳定性,能够在强酸、强碱和强极性的溶剂中保持结构的稳定性;在298 K时,ZIF-8对CH₄/N₂的分离因子达到3.4,与活性炭相当,但CH₄、N₂在ZIF-8上的吸附热比在活性炭上低20%左右。     

H2S/N2混合物在碳纳米管中吸附分离的分子模拟

采用巨正则Monte Carlo(GCMC)方法讨论了不同温度、压力及管径下,碳纳米管对H2S/N2混合物(主体相体积比为1∶99)的吸附分离选择性.结果表明,随着碳纳米管管径的增大,H2S的吸附选择性先增加后减小;而(11,0)碳纳米管(管径为0.86 nm)对H2S的选择性最高,这种选择性与管径的关系是由几何效应和能量效应共同决定的.针对(11,0)碳纳米管讨论了温度和压力对H2S吸附量和选择性的影响.模拟结果表明,随着温度上升,H2S的吸附量和选择性都呈先增加后减小的趋势;随着压力增加,H2S的吸附量和选择性都有所下降.本文模拟结果可为含硫气体混合物的吸附分离提供一定参考.     

分子模拟研究微孔材料对光气吸附扩散性能的影响及材料筛选

利用分子模拟的方法研究了微量光气(COCl₂)在微孔材料中的吸附和扩散性能, 并分析了材料结构的影响. 结果表明, 光气在金属有机框架材料(MOF)和共价有机框架材料(COF)中的吸附等温线主要表现为第Ⅰ类型和第Ⅴ类型吸附. 当光气压力较低时, COF材料和含有开放金属位点的材料对其吸附性能较好. 通过对不同压力下吸附量的比较发现, 吸附达到饱和前, 随着压力和孔隙率(VF)的升高, 材料对光气的吸附量增大. 通过分子动力学模拟研究光气在微孔材料中的扩散性能发现, 较强吸附位点的存在不利于光气在孔道中的扩散. 通过气体分子在材料中的径向函数分布图及模拟轨迹分析发现, 分子协同效应和空间位阻效应相互竞争决定了扩散速率的快慢. 综合评价材料的吸附和扩散性能发现, COF-102, COF-300, ZnMOF-74, Zn-DOBDC和PCN-60是理想的吸附材料, 这些材料可以应用于环境中光气泄漏的防治.     

应用基于第一性原理的分子模拟方法预测小分子在多孔材料中的吸附

分子在多孔材料中的吸附在工业中有着重要的应用．计算化学的发展和应用使得对多孔材料中小分子的吸附研究进入了一个新阶段．从第一性原理出发,在MP2高精度量子化学计算基础上推导小分子与多孔材料相互作用的分子力场,运用巨正则系综的蒙特卡罗模拟,研究小分子在多孔材料的吸附和脱附过程．以具有代表性的沸石分子筛ZSM-5和储氢材料MOF-5为对象,应用上述方法分别研究氨气分子和氢气分子在两种材料中的吸附,进而讨论沸石的酸性和MOF-5的储氢性能,计算得到的结果和实验数据高度吻合．     

层柱状微孔材料吸附存储天然气的Monte Carlo模拟

采用巨正则系综MonteCarlo方法模拟了天然气中主要成分甲烷在层柱状微孔材料中T=300K下的吸附存储,在模拟中层柱状微孔采用Yi等人建立的柱子均匀分布在两炭孔墙之间的模型来表征。甲烷分子采用Lennard-Jones球型分子模型,炭孔墙采用Steele的10-4-3模型,对孔宽为1.36nm的层柱微孔,模拟了四个不同孔率的层柱材料吸附甲烷的情形。得到了孔中流体的局部密度分布以及吸附等温线,对比不同孔率下甲烷的吸附量,得到了此情形吸附甲烷的较佳孔率为0.94。     

基于ZIF-9的多孔碳对次甲基绿的吸附动力学研究

以含钴的类沸石咪唑酯骨架结构材料ZIF-9为模板,在氩气中进行碳化,以及在碳化时加入硫粉,分别得到含钴和钴硫双掺杂的多孔碳材料Co/C-700和CoS/C-700.对合成材料的结构和组成进行了PXRD、Raman光谱、SEM和氮气吸附脱附的表征,结果显示:合成材料保持了模板的骨架结构,比表面积分别为270.59和108.78 m²·g^-1,是微孔介孔碳纳米复合材料.Co/C-700和CoS/C-700对染料次甲基绿的最大吸附量分别为58.31和57.90 mg·g^-1,吸附符合准二级动力学模型、孔扩散模型和Langmuir模型.分离、再生以及循环使用4次之后的Co/C-700对次甲基绿的吸附率仅下降了4%.     

两种双金属MOF-74吸附分离CO2/CH4的分子模拟

采用分子模拟法分别研究了MgZn-MOF-74和MgCu-MOF-74对CO₂/CH₄混合物吸附分离。首先使用Dmol3模块计算原子电荷和Forcite模块优化掺入不同比例金属离子的骨架结构;接着使用Sorption模块分别模拟吸附单组分CO₂和CO₂/CH₄混合体系的吸附等温线,然后计算混合体系的选择性系数;最后使用Forcite分析金属离子与气体分子的径向分布函数。通过模拟得到的吸附单组分CO₂的吸附等温线可以发现,压力小于200 kPa时Mg5Zn5-MOF-74的吸附能力最强,173 kPa时吸附量为6.3 mmol/g。压力大于1500 kPa时,Mg9Zn1-MOF-74的吸附量比其他MOFs高,最高达23.9 mmol/g,吸附量从大到小排序为：Mg9Zn1-MOF-74>Mg7Zn3-MOF-74>Mg5Zn5-MOF-74>Mg-MOF-74>Zn-MOF-74。对于Cu掺入的Mg-MOF-74,吸附量比原始的Mg...     

不同尺寸ZIF-8对U(VI)的吸附性能

以经典的金属有机骨架(MOFs)材料ZIF-8为吸附剂,研究尺寸效应对铀吸附性能的影响。 通过3种方法合成不同粒径的ZIF-8,利用扫描电子显微镜(SEM)、X射线粉末衍射仪(XRD)、表面积与孔隙度分析仪等对其进行了表征,测试了相同条件下不同尺寸的ZIF-8对硝酸铀酰溶液中U(VI)吸附,分别对其吸附过程的动力学和吸附等温线进行了考察,并测试了材料的可重复利用性。 结果表明,成功制备了高结晶性、高纯度的ZIF-8,产物形貌呈菱形十二面体,颗粒均匀,粒径分别为约50 nm、150 nm及2 μm;3种ZIF-8具有单一均匀的微孔结构和与粒径高度相关的比表面积;不同尺寸的ZIF-8均能快速吸附溶液中的U(VI),在室温pH=3下,在70 min左右时即可吸附初始质量浓度为200 mg/L的U(VI)溶液中90%以上U(VI);其中较小尺寸(约50 nm)的ZIF-8吸附性能最好,单位质量ZIF-8吸附U(VI)的饱和吸附量达到520.26 mg/g;ZIF-8对U的吸附动力学上符合二级动力学方程,吸附等温线符合Langmuir模型,说明ZIF-8对U(VI)的捕获属于化学单层吸附;经过4个吸附-解吸循环后,3种尺寸的ZIF-8均依然保持了70%以上的去除率。     

ZIF-8的合成、表征及正己烷吸附性能

以甲醇为溶剂,硝酸锌六水合物为锌源,2-甲基咪唑为有机配体,通过溶剂热法合成了金属有机骨架材料ZIF-8;采用X射线衍射(XRD)、氮气吸附、热重-差热分析(TG-DSC)和扫描电子显微镜(SEM)等方法对ZIF-8样品进行了表征;研究了正己烷在ZIF-8上的液相吸附动力学和动态选择性吸附性能.结果表明,合成的ZIF-8晶体具有方钠石结构,结晶度较高,孔结构主要为0.37~1.10 nm的微孔,BET比表面积为1836 m2/g,孔体积为0.65 cm~3/g.TG-DSC和高温原位XRD分析结果表明,合成的ZIF-8具有良好的热稳定性能.283~313 K时,正己烷在ZIF-8上液相吸附的扩散系数为(2.53~8.88)×10-12cm~2/s,扩散活化能为31.11 k J/mol;308 K时,ZIF-8对正己烷的动态饱和吸附量为187.3 mg/g,由吸附穿透曲线计算得出Thomas速率常数为2.17×10~(-3)m L·min~(-1)·mg~(-1).与5A分子筛相比,ZIF-8对正己烷的吸附容量高出约1倍,液相吸附表观扩散时间常数高出约70%.     

柔性金属-有机骨架材料中甲醇吸附和扩散的分子模拟

采用分子力学和分子动力学相结合的方法, 对甲醇在Ni₂(4,4'-bipyridine)₃(NO₃)₄中的吸附能和扩散势垒进行了研究. 结果表明, 每个Ni₂(4,4'-bipyridine)₃(NO₃)₄结构单元的饱和吸附量是4个甲醇分子, 稳定吸附分子个数是2个, 吸附多于2个甲醇分子时材料结构变形明显, 是甲醇实验吸附等温线出现梯级现象的原因, 计算的扩散势垒是35.94 kJ•mol^－1, 与实验值符合较好. 得出, 结构变形对吸附分子在柔性金属-有机骨架中的吸附和扩散性质有重要影响.     

生物金属-有机骨架材料中药物吸附及扩散的分子模拟研究

选用了三种bio-MOFs （bio-MOF-1,bio-MOF-11,bio-MOF-100）材料,采用蒙特卡罗和分子动力学模拟研究了布洛芬分子在bio-MOF材料中的吸附和扩散性质. 结果发现,bio-MOF材料结构对药物分子布洛芬的吸附及扩散有很大影响. 其中,孔径控制着客体分子布洛芬的进入及扩散; 孔隙率大小与布洛芬的吸附量及自扩散系数大小成正比. 静电作用力对布洛芬分子的吸附有较小的促进作用. 另外还研究了布洛芬分子在MOF材料中的最佳吸附位及最优构型,发现布洛芬分子优先吸附在金属角落处,以及不同材料其吸附的布洛芬分子最优构型是不一样的.     

Tuning the Adsorption Selectivity of ZIF-8 by Amorphization

Amorphous metal–organic frameworks (a_mMOFs) with a partially collapsed structure are a new category of porous hybrid materials. Here, solid-state amorphization of ZIF-8 was achieved by mechanical compression at 0.75 GPa. The compression-induced amorphous ZIF-8 (a_mZIF-8) had a collapsed structure, but retained partial porosity. Benefiting from the deformed channel, the resultant a_mZIF-8 exhibited preferable adsorption of C₃H₆, resulting in higher thermodynamic adsorption selectivity of C₃H₆/C₃H₈ (6.72) than the crystalline counterparts (1.06). Further, a_mZIF-8 achieved complete separation of an equimolar C₃H₆/C₃H₈ mixture with the first breakthrough of C₃H₈. a_mZIF-8 also displayed an enhancement in CO₂/N₂ and CO₂/CH₄ adsorption selectivities. More importantly, a self-standing a_mZIF-8 membrane with boundary-free microstructure was constructed for the first time, and exhibited separation potential for H₂/CH₄, CO₂/N₂, CO₂/CH₄, and C₃H₆/C₃H₈ with ideal selectivities of 14.79, 12.83, 16.23, and 2.67, respectively.     

Molecular Dynamics Simulation of Diffusion of Vitamin C in Water Solution

Under different temperatures and concentrations, the diffusion of Vitamin C (VC) in water solution was examined by molecular dynamics simulation. The diffusion coefficients were calculated based on the Einstein equation. The influences of temperature, concentration, and simulation time on the diffusion coefficient were discussed. The results showed that at higher temperature and lower concentration the normal diffusions appear relatively late, but the linear range of mean square displacement curves continues longer than that at lower temperature and higher concentration. At the same temperature, the normal diffusion time increases and the diffusion coefficient decreases as the simulation concentration increases. These simulation results are in good agreement with experiments. Analyses of the pair correlation functions of the simulation systems showed that hydrogen bonds are mainly formed between the hydrogen atoms of VC molecules and oxygen atoms of H₂O molecules, rather than between the O atoms of VC molecules and H atoms of H₂O molecules. The diffusion coefficient is higher as the interaction between water molecules and VC molecules is stronger when VC concentration is lower. The water in the model systems affects the diffusion of VC molecules by the short‐range repulsion of O(H₂O)‐O(H₂O) pairs and the non‐bond interaction of H(H₂O)‐H(H₂O) pairs. The short‐range repulsion of O(H₂O)‐O(H₂O) pairs is greater when VC concentration is higher, the diffusion of VC is weaker. The greater the non‐bond interaction of H(H₂O)‐H(H₂O) pairs is, the higher the VC diffusion is. It is expected that this study can provide a theoretical direction for the experiments on the mass transfer of VC in water solution.     

Ring-polymer Molecular Dynamics Simulation for the Adsorption of H2 on Ice Clusters (H2O)n (n=8, 10, and 12)

In the interstellar medium, the H₂ adsorption and desorption on the solid water ice are crucial for chemical and physical processes. We have recently investigated the probabilities of H₂ sticking on the (H₂O)₈ ice, which has quadrilateral surfaces. We have extended the previous work using classical MD and ring-polymer molecular dynamics (RPMD) simulations to the larger ice clusters, (H₂O)₁₀ and (H₂O)₁₂, which have pentagonal and hexagonal surfaces, respectively. The H₂ sticking probabilities decreased as the temperature increased for both cluster cases, whereas the cluster-size-independent profiles were observed. It is thought that the size independence of the probabilities is qualitatively understood from the similar binding energies for all the three cluster systems. Furthermore, the RPMD sticking probabilities are smaller than the classical ones because of the reduction in the binding energies owing to nuclear quantum effects, such as vibrational quantization.     

Dynamics Studies on Molecular Diffusion in Zeolites

1 INTRODUCTION Zeolites have attracted much attention in both scientific and industrial areas for their special characteristics and multiple uses. Zeolites are composed of TO4 (T = Si, Al, Ga, P, etc.) tetrahedra which are connected with each other by sharing oxygen atoms to produce a complex and repetitive three-dimensional atom network with regular molecular dimension cavities joined by channels. Shape selectivity is the most important property of zeolites. Combined with the possib…     

超临界CO2中甲醇和乙醇无限稀释扩散系数的分子动力学模拟与实验测定

采用分子动力学模拟(MD)方法对甲醇和乙醇在超临界二氧化碳中的无限稀释扩散系数进行了模拟计算, 并应用泰勒分散理论, 采用超临界色谱仪对模拟结果进行了实验验证. 模拟计算值与实验值较吻合, 且变化规律基本一致, 表明采用这种新方法可以准确有效地预测超临界体系的扩散性质, 能够方便地应用于工程设计.