金属-有机骨架材料中吸附气体的扩散速率

采用分子动力学方法,以甲烷为探针分子研究了不同压力条件下气体在具有不同孔道结构的金属-有机骨架材料(MOFs)中的扩散速率.通过计算气体在八种材料中的自扩散系数,并结合气体分子在材料中的质心分布图等,讨论了气体扩散速率与孔道结构之间的关系.研究结果表明:对于同时含有孔笼(pocket)和三维正交孔道(channel)结构的MOF材料(P-C材料),低压时甲烷气体吸附在孔笼结构中,随着压力的升高,气体分子开始进入正交孔道,同时其自扩散系数增加;而对于只含有三维立方孔道结构的IRMOF(isoreticular MOF)系列材料,在中低压范围内,气体分子在其中的自扩散系数随压力变化较小.当压力进一步升高时,气体分子在材料孔道中的吸附逐渐接近饱和,其自扩散系数均降低.因此,在不同MOF材料中气体分子扩散速率的差异主要取决于孔道结构的不同.对P-C材料,中低压下通过控制压力可以控制气体在其中的扩散速率,从而为MOF材料在气体存储、分离等方面的实际应用提供参考信息.     

共价有机骨架聚合物(COFs)的应用研究进展

共价有机骨架聚合物(COFs)是一类结晶微孔聚合物,具有优异的孔性质、高的热及化学稳定性和大的比表面积,在气体储存、催化、光电材料等诸多领域中有重要的应用前景,已成为国内外的研究热点。本文主要综述了共价有机骨架聚合物对氢气、甲烷、二氧化碳等气体的吸附与储存,并介绍了共价有机骨架聚合物近几年在非均相催化、光电材料、重金属离子吸附、光催化制氢等方面的应用所取得的重要进展。文章最后总结了当前共价有机骨架聚合物遇到的一些问题,并对该领域未来发展趋势进行了展望。     

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.     

离子型共价有机框架材料的制备及对染料吸附性能的研究

茜素红(Alizarin Red,AR)作为蒽醌类染料中的重要组成,由于其具有优异的特性,在染料和酸碱指示剂等方面被广泛使用。但是AR具有毒性高、结构复杂以及化学需氧量(COD)值大等原因,使其成为了主要污染物之一,去除水体中的茜素红染料污染物已经成为了目前亟待解决的问题。共价有机框架材料作为一种新型的多孔有机材料,由于其具有比表面积大,孔径均一和可设计的独特优势,已经广泛应用吸附和分离等方面。因此,以三醛基间苯三酚和溴化乙锭为构筑单元,通过水热的方法合成一种二维离子型共价有机框架材料(TpEB-COF)。对制备的TpEB-COF进行相关表征,包括X射线衍射仪(XRD),扫描电镜(SEM)和能量色散谱仪(EDS)等。然后将制备的TpEB-COF作为固体吸附剂,将其应用对水中AR的吸附,研究了不同吸附时间和不同pH值对吸附过程的影响。实验结果证明制备的离子型共价有机框架材料具有良好的晶型结构。同时,对实验数据分析表明,离子型共价有机框架材料对于茜素红的吸附符合准二级动力学方程和Langmuir吸附模型,吸附效率为82.8%,最大吸附量为828 mg g-1。本研究不仅为共价有机框架材料的设计和合成奠定坚实的基础,而且拓展了离子型共价有机框架材料的应用范围,促进共价有机框架材料的发展。     

有机微孔聚合物研究进展

有机微孔聚合物(MOPs)是一类新型的多孔材料,具有合成方法多样、化学和物理性质稳定、孔尺寸可调控、表面可修饰等优点。近年来,MOPs在物理吸附储存气体方面表现出巨大潜力,从而在储氢和温室气体封存方面成为研究的热点之一。本文首先介绍了MOPs的结构类型及特点,分别介绍了自具微孔聚合物、超交联聚合物、共价有机网络以及共轭微孔聚合物的最新进展,分析结构与性能间的关系,并对其在催化、分离和气体储存方面的应用做了简单总结。最后对MOPs未来的研究进行了展望。     

氮气和氧气在膜表面和狭缝孔内平衡吸附的分子模拟

采用巨正则系综的MonteCarlo方法(GCMC)模拟常温(T=303K)下,氮气和氧气在具有狭缝状膜孔的碳膜内的吸附.气体分子之间、气体分子与膜原子之间的相互作用均采用Shifted-Lennard-Jones势能模型.研究了303K和10MPa下,不同膜厚度和膜孔宽度时氧气在膜面和膜孔内的密度分布以及303K和压力从1MPa到10MPa变化时,氮气和氧气在狭缝膜孔内超额吸附等温线.实验结果表明,膜孔端口效应显著,膜厚和膜孔宽度对孔内吸附影响较大,而膜构型对膜面吸附影响显著.     

ZIF-8材料中CH4/H2吸附与扩散的分子模拟

采用平衡分子动力学和巨正则系综蒙特卡洛模拟方法对多孔沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)中CH4和H2分子的吸附与扩散特性进行了比较研究.结果表明,采用柔性力场能够很好地复制ZIF-8在不同压力或温度条件下的晶体结构,也能准确地计算不同温度下CH4和H2分子在ZIF-8中的扩散系数,特别是高温下CH4分子因能够摆脱ZIF-8骨架笼口的空间限制而使其扩散系数出现大幅提升.同时,该力场也能粗略地模拟CH4和H2分子在ZIF-8中的等温吸附曲线,通过自编程序得到吸附和扩散平衡时CH4和H2分子在ZIF-8单元晶胞内的几率密度分布数据,并利用VMD软件可视化.结果显示CH4和H2分子在ZIF-8中的优先吸附位置均在大孔中心靠近咪唑环的区域,但CH4分子的优先吸附位置有两个不同层次,而H2分子的优先吸附位置只有一个层次,说明CH4和H2分子在ZIF-8中存在着不同的吸附机理.     

二氧化碳/甲烷/氮气二元混合物在有序介孔碳材料CMK-3 中的吸附和分离

采用分子模拟与吸附理论研究了天然气成分在有序介孔碳材料CMK-3上的吸附和分离.巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)模拟表明,CH4和CO2气体的较优存储条件分别为208 K、4 MPa和298 K、6 MPa,其最大超额吸附量分别为10.07和14.85 mmol· g-1.基于双位Langmuir-Freundlich (DSLF)模型,使用理想吸附溶液理论(IAST)预测了不同二元混合物在CMK-3中的分离行为,发现吸附选择性Sco2/CH4与ScH4/N2比较接近,在298 K和4 MPa下约等于3,而N2-CO2体系中的CO2吸附选择性较高,可达到7.5,说明CMK-3是一种适合吸附和分离天然气组分的碳材料.     

共价有机框架材料研究进展

共价有机框架材料是一类具有周期性和结晶性的有机多孔聚合物。共价有机框架材料由轻质元素通过共价键连接,拥有较低的密度、高的热稳定性以及固有的多孔性,在气体吸附、非均相催化、能量存储等研究领域有着广泛的应用潜力,引起了科学界强烈的研究兴趣。本文主要综述了近年来共价有机框架材料的最新研究进展,包括其结构设计、合成、纯化、表征以及在气体吸附,催化及光电等方面的应用,并对共价有机框架材料未来的发展趋势进行了展望。     

气态碘在COF-103上吸附的理论研究

采用第一性原理和巨正则蒙特卡罗方法,模拟研究了气态碘分子(I₂)在共价有机框架材料(COF-103)中的吸附行为,并讨论了气态氧化物、氯化物和挥发性有机化合物(VOCs)等杂质气体的竞争吸附影响.结果表明,I₂偏向以垂直方式吸附于COF-103苯环的碳原子位,其中,长程色散相互作用具有重要的贡献,色散能在吸附能中的占比最多可达46%.I₂与COF-103之间存在少量电荷转移,且可能形成具有弱共价相互作用的次级键.杂质气体中苯分子(C₆H₆)的吸附能和等量吸附热最大,与COF-103的亲和性最强,并且可以占据I₂的吸附位点,从而引起I₂吸附量的显著降低.     

光照对Pt/Al2O3光热CO2加氢反应的增强作用（英文）

在传统热催化材料的研究领域中,光照技术已经得到了广泛的应用,从而使传统热催化剂的催化反应活性和选择性得到优化.然而,在光热协同催化反应过程中,光照因素对催化反应过程的影响尚未得到很好地研究和理解.本文通过浸渍法制得Pt/Al2O3催化剂,并应用于光热协同催化CO2加氢反应.结果证明,在光热协同CO2加氢催化反应中, Pt/Al2O3催化剂表现出光热协同效应.本文结合原位漫反射红外光谱(operandoDRIFTS)和密度泛函理论计算(DFT)对光照因素对该催化反应过程的作用机制进行了进一步深入研究.结果表明, CO气体分子从Pt纳米颗粒上的脱附过程为CO2加氢反应的重要步骤;CO气体分子在Pt纳米颗粒上脱附的位置包含台阶位置(Ptstep)和平台位置(Ptterrace).结果表明,反应过程中CO气体分子从Pt表面的脱附有利于催化剂暴露出Pt反应活性位点.值得注意的是,在光热协同催化CO2加氢反应过程中,光照和温度因素对CO气体分子的脱附过程具有不同影响.吸附能的计算结果证明, CO气体分子吸附在Ptstep和Ptterrace上的吸附能分别为-1.24和-1.43eV.由此可见, CO气体分子与Pt纳米颗粒上的Ptstep吸附位点之间相互作用更强.在无光照作用的条件下对催化剂进行加热, CO气体分子更容易从Ptterrace吸附位点发生脱附;但是在对应的温度下加入光照作用后,吸附在Ptstep位点上的CO气体分子会先转移到Ptterrace吸附位点上,随后脱附,从而促进CO2加氢反应的进行.     

共价有机多孔聚合物合成新策略

共价有机多孔聚合物(COPs)是由有机结构单元通过共价键连接而形成的一类具有微孔或者介孔结构的新型高分子多孔材料, 在能源、物质吸附与分离、气体存储、光电器件、多相催化以及化学/生物传感等方面展现出巨大的应用潜能. 尽管其合成方法众多, 合成单体多样, 产物结构稳定, 但是传统方法合成的有机多孔材料大多是无定型的, 结构难以控制, 且通常不溶不熔, 很难再加工. 为了解决这些问题, 近年来很多新的合成方法和合成策略被开发出来, 为共价有机多孔聚合物的进一步发展指明了方向. 本文将对这些最新的研究进展做一简要的介绍.     

三嗪基共价微孔有机聚合物的研究进展

共价微孔有机聚合物近年来成为化学、材料和环境等领域的发展前沿和研究热点。其中,三嗪基共价微孔有机聚合物由于高度共面的、π-共轭的1,3,5-三嗪单元的引入,相对于其它多孔吸附剂具有更高的热化学稳定性、独特的光电性质和对客体分子的高选择性分离能力。三嗪共价微孔有机聚合物已应用于气体吸附分离、废水吸附净化、药物缓释、光电响应、超电容和非均相催化等多个领域。本文重点阐述三嗪共价微孔有机聚合物的设计及合成,综述了其功能化策略,并展望了其在材料化工和环境能源等领域的应用前景。     

巨正则系综Monte Carlo模拟方法确定活性炭的微孔尺寸

根据299K下甲烷在活性炭中的吸附实验数据,通过调节狭缝微孔的孔宽参数,利用巨正则系综MonteCarlo(GCEMC)方法得到不同孔宽下流体的微观结构以及吸附等温线.比较并拟合模拟结果和实验数据,确定了活性炭微孔的平均孔宽,为下一步求解微孔尺寸分布以及为预测吸附剂在不同温度下吸附不同吸附质分子时的吸附性能提供了基础与指导.模拟中,甲烷分子采用单点Lennard-Jones球型分子模型,活性炭用狭缝孔来近似表征,流体分子与单个狭缝墙的相互作用采用著名的Steele的10－4-3势能模型.模拟表明,此方法为考察介孔材料的微孔分布以及微孔平均孔宽提供了新的思路.     

具有高气态碘吸附的二维介孔共价有机框架

合成了一种新型的二维介孔共价有机框架(COF)材料JUC-573. 粉末X射线衍射、 氮气吸附-脱附和热重等表征结果表明合成的COF材料具有高结晶度、 高比表面积以及良好的热稳定性. 在333 K、 常压条件下, 该材料表现出优异的碘吸附能力, 且吸附量高达4.15 g/g. 这是由于在JUC-573中规则定向的垂直一维介孔孔道能够有效地避免碘吸附后的堵塞, 从而优化了材料的吸附能力. JUC-573可多次循环用于气态碘的捕获且保持几乎不变的吸附量.     

物质材料的结构预测和光物理性能模拟

具有良好性能的非线性光学材料的成功设计,关键问题在于材料晶体结构和分子结构的可信和有效的预测结果,继而对获得结构信息的材料开展光物理性能计算模拟,这种结构预测与性能模拟结合的方法,为新材料的成功制备创出一条又省时又经济的路子。本文中,我们使用Oganov等发展的全局搜索进化算法的晶体结构预测工具(USPEX软件),成功地预测具有中远红外区透过的二阶非线性光学材料Ba2BiInS5的晶体结构;介绍应用DFT方法优化和预测内嵌富勒烯C2@Sc4@C80-Ih和Sc4C2@C80-Ih分子结构。在结构预测和优化基础上,应用基于态叠加原理(SOS)自行创建的BGP软件与计算激发态性质的软件结合,计算模拟分子晶体、纳米结构分子、生物蛋白分子等体系频率相关和态相关的非线性光学性质(包括不同光学过程的二阶、三阶极化率以及双光子、三光子吸收截面)。此外,还报道了利用固体能带理论与反谐振子模型结合,计算模拟部分离子晶体的二阶和三阶非线性光学性质。     

分子模拟预测含配位键不饱和Cu的有机骨架(MOFs)材料的储氢性能

本文根据RI-UMP2方法、TZVPP基组和BSSE校正计算得到的能量数据,推导了描述氢分子与含有不饱和配位键的Cu的金属羧酸配合物相互作用的分子力学力场. 用巨正则系综蒙特卡洛模拟(GCMC)计算了氢在含四方形配位Cu的MOFs材料上的吸附等温线. 通过对比CuBTC的实验吸附数据发现,虽然理论预测含有四方形配位Cu的MOFs具有比含有四面体配位Zn的MOFs与氢分子更强的相互作用,实验合成得到的材料尚未反映这一区别. 以现有的CuBTC实验数据为参照消除理论计算和实验测定的系统偏差,预测了3种含有四方形配位Cu的MOFs材料以CuBTC作为参照的储氢能力.     

蛋白质-RNA相互作用界面预测与设计

蛋白质-RNA之间的相互作用是蛋白质在细胞里面行使功能的重要方式之一. 结构生物学家利用实验手段可以得到蛋白质-RNA复合物的三维结构, 通过原子水平的晶体结构来解释蛋白质与RNA的识别过程. 但实验取得蛋白质-RNA的复合物结构非常困难, 耗钱、耗时, 同时受限于其相互作用强度. 因而利用理论的方法对蛋白质-RNA相互作用界面进行预测与设计在生物医学研究中十分重要. 本文主要综述了近期蛋白质-RNA相互作用界面预测与设计方面的进展, 包括以下几个方面: (1) 蛋白质-RNA分子对接算法以及对接前后存在的构象变化的处理; (2) 蛋白质-RNA 识别机制的研究; (3) 基于蛋白质-RNA 相互作用界面的分子设计. 蛋白质-RNA分子对接算法逐步完善将有助于我们对大量未知功能的蛋白质与RNA进行功能注释, 而基于生物大分子相互作用界面的分子设计将在药物设计领域中有广阔的应用前景.     

介孔气体吸附剂

介孔二氧化硅经过表面修饰,赋予介孔材料不同的特性,具有很多的潜在用途,是无机材料研究的热点之一。本文综述了近年来以介孔二氧化硅（M41S 和 SBA）为载体设计的气体吸附剂的研究进展。详细讨论了二氧化碳和可挥发性有机物(VOCs)在介孔吸附剂上的吸附过程;介绍了二氧化碳介孔吸附剂的不同制备方法和影响二氧化碳在介孔吸附剂上吸附的因素,以及介孔吸附剂的结构对可挥发性有机物吸附过程的影响。最后,对介孔气体吸附剂的发展进行了展望。     

介孔碳材料CMK-3的合成及其吸附性能研究——介绍一个综合化学实验

介绍一个集物理化学、分析化学和无机化学为一体的综合实验——介孔碳材料CMK-3的合成及其吸附性能研究。实验通过合成具有高比表面积的介孔碳材料CMK-3,运用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)和氮气吸附/脱附技术表征材料的形貌和多孔结构;考察了介孔碳材料CMK-3对水溶液中次甲基蓝染料分子的吸附性能。