嵌入配位不饱和金属位对多孔芳香骨架材料储氢性能的影响

基于密度泛函理论(DFT)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,系统地研究了引入配位不饱和金属位(CUS)对PAF-30n (n = 1–4)材料储氢性能影响的规律。结果表明,77 K下PAF-302MgO₂_PBE100的最大过量质量储氢量达到7.97% (w);77 K、10 MPa下100%醇镁功能化改性PAF-302和PAF-303的绝对储氢量分别达到9.9% (w) (65.9 g∙L^-1)和15.0% (w) (50.5 g∙L^-1),分别超过美国能源部(DOE)标准80% (64.8%)和173% (26.3%),均超过在相同条件下目前储氢性能最佳的NU-1101 (9.1% (w), 46.6 g∙L^-1)。即使在243 K、10 MPa下,其绝对质量和绝对体积储氢量也能分别达到5.13% (w)和34.19 g∙L^-1,占DOE质量与体积储氢标准的93.3%和85.5%,是目前为止常温储氢性能较为均衡的多孔材料之一。结合等量吸附热(Q_st)、径向分布函数(RDF)和质心几率密度分布(MCPD)方法进一步分析,发现有机链长度增加导致孔隙率增加和体积比表面积减小,是引起多孔材料绝对质量和绝对体积储氢量此消彼长的根本原因。另外,引入CUS能提高PAFs材料对H₂分子亲和力,显著增强其体积储氢量。     

含羧酸镁(钙)官能团的多孔芳香骨架材料储氢性能的预测

用MP2方法,TZVPP基组以及基组重叠误差(BSSE)校正计算了氢分子与修饰在多孔芳香骨架(PAF)上的羧酸镁、羧酸钙官能团的相互作用,并建立了描述这一相互作用的分子力学力场.在此基础上用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟预测了氢气在该种新型PAF材料上的吸附等温线.量子化学计算结果表明,每个羧酸镁、羧酸钙官能团分别可以提供13、14个氢分子吸附位点,与每个氢分子的平均结合能在8kJ·mol-1左右.通过比较不同温度和压力下材料的绝对吸附量和超额吸附量发现,在PAF骨架中引入羧酸镁、羧酸钙官能团可以显著提高材料的综合储氢性能,达到并超过了美国能源部提出的2015年储氢标准.同时该工作还揭示了氢吸附量与材料的表面积、空腔体积和分子作用强度间的复杂关系.     

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.     

新型多孔芳香骨架材料用于硝基爆炸物的检测

采用付玫瑰苯胺与对苯二甲醛通过希夫碱偶联反应制备了新型的多孔芳香骨架材料.经过FTIR,TGA,PXRD,SEM,TEM和Ar吸附等分析方法对多孔芳香骨架材料的成键方式和骨架结构进行了表征.分析结果显示,该多孔芳香骨架材料具有优异的热稳定性(350℃仅失重5%)和溶剂稳定性,其Langmuir比表面积约为472m~2/g.紫外光谱和荧光光谱测试分析表明,该材料在苯、甲苯和氯苯等芳香化合物环境中无明显的荧光强度变化.然而在硝基爆炸物环境中会发生灵敏的、专一的荧光淬灭现象.该多孔材料可应用于硝基爆炸物的检测.     

磷酸基多孔芳香骨架材料用于提取铀离子

采用联苯为建筑基元，合成了价格低廉、操作简便、易于工业化的多孔芳香骨架材料PAF-45.通过后修饰方法，制备了带有磷酸基团的多孔芳香材料（PAF-45-PG）.通过FTIR（傅里叶变换红外光谱），TGA（热重分析），PXRD（多晶粉末X射线衍射），SEM（扫描电子显微镜），TEM（透射电子显微镜）以及N₂吸附实验，对PAF-45-PG的结构及孔道性质进行了系统的表征.由于骨架中引入了磷酸基团，PAF-45-PG具有优良的铀离子吸附性能，在pH=6的条件下可以达到100 mg·g^-1.另外，该材料成本低廉，具有可观的工业化前景，为多孔材料在能源方面的应用提供了广阔前景.     

定向合成高效捕获CO2的新型多孔芳香材料

通过简单的离子热法,以四（4-氰基联苯基）硅烷作为四面体基块,将其与无水氯化锌在充满氩气气氛的手套箱中充分研磨后密封,分别以400和550 ℃的反应温度合成了新型多孔芳香骨架材料（PAF-51）,得到PAF-51-1（400 ℃条件下）与PAF-51-2（550 ℃条件下）的比表面积分别为720和557 m²·g^-1 （BET）.与CH₄和N₂对比,该材料对CO₂具有极好的选择性吸附能力. 273 K条件下,CO₂/N₂分离指数最高可达52.2,CO₂/CH₄分离指数也达到10.3,这一性质极有可能使得PAF-51成为捕获CO₂理想材料,并对再生能源具有潜在的应用.     

碳化多孔有机骨架制备氮掺杂多孔碳及其气体吸附研究

通过简单的一步碳化方法, 以含氮的多孔有机骨架JUC-Z2为碳前驱物制备出氮掺杂多孔碳材料. 与原始JUC-Z2材料相比, 制备的多孔碳材料显示出明显提高的气体吸附量和增强的吸附焓. 其中JUC-Z2-900的CO₂吸附量高达113 cm³·g^-1, H₂吸附量也达到246 cm³·g^-1, 超过了大部分报道的多孔材料. 尤其是JUC-Z2-900的CH₄吸附量在273 K, 1 bar下高达60 cm³·g^-1, 据我们所知, 这一值为目前报道材料的最高值. 除此之外, 样品还显示出选择性吸附CO₂的能力, 273 K下, JUC-Z2-900的CO₂/N₂的选择性高达10, CO₂/H₂的选择性也高达66. 另外, 样品具有很高的热稳定性, 有望应用在碳捕获和清洁能源储存等领域.     

荧光性多孔芳香骨架材料的简便制备 及在硝基爆炸物检测中的应用

报道了一种简便的制备高荧光性多孔有机聚合物材料的方法, 即以1,3,6,8-四溴芘(TBrPy)与硼酸类单体为构筑基元, 通过Suzuki偶联反应制备多孔芳香骨架材料LNUs. 利用傅里叶变换红外光谱、 热重分析、 氮气吸附、 固体紫外光谱和荧光光谱等分析方法对其结构与性能进行了系统表征. 分析结果表明, 该类多孔芳香骨架材料具有良好的热化学稳定性和较大的比表面积, 所得材料优异的荧光性能使其非常适合用于硝基爆炸物的选择性检测. 多孔芳香骨架材料LNUs在苯、 溴苯、 苯胺、 甲苯、 氯苯和苯酚等分子存在下, 荧光强度基本不变, 而在加入硝基苯、 对硝基苯酚和对硝基氯苯后, 荧光几乎完全猝灭, 说明该类材料对硝基苯、 对硝基苯酚和对硝基氯苯显示出专一的检测性能. 根据这一特性, 利用LNUs材料制备了一种新型便携式纸传感器, 其可以简便快速实时检测硝基爆炸物, 并在痕量检测方面展现出良好的应用前景.     

多孔材料化学:从无机微孔化合物到金属有机多孔骨架

本文主要从无机微孔化合物和金属有机多孔骨架的合成化学和结构化学这两方面来介绍多孔材料化学的研究进展。多孔材料是一类具有规则孔结构的固态化合物,它们在催化、分离、离子交换等工业领域有着广泛的应用。硅铝酸盐是最为人们所熟知的微孔分子筛,经过半个多世纪的发展,人们又相继开发出磷酸盐、砷酸盐、锗酸盐、亚磷酸盐、硫酸盐、亚硒酸盐以及金属硫化物等类沸石无机微孔化合物。近十多年来,配位聚合物与金属有机多孔骨架开始大量兴起,为微孔化合物的多样化与组成的复杂性增添了新的领域。     

新型储氢材料及其热力学与动力学问题

氢能作为一种理想的二次能源受到了国内外科研工作者的广泛关注,研制可以在室温和较低压力下方便、安全、高效地储存氢能的材料是氢能发展的瓶颈.到目前为止,固态储氢材料以能量密度高及安全性好等优势被认为极具应用前景,其中以轻质元素构成的氢化物(包括硼氢化物/铝氢化物(可用通式A(MH4)n表示,其中A是碱金属(Li,Na,K)或碱土金属(Be,Mg,Ca);M是硼或铝;n=1～4)、氨基氢化物(如LiNH2等))、氨硼烷(NH3BH3)、金属有机骨架材料(MOFs)是新型储氢材料研究领域的热点,本文将着重就目前这几类储氢材料的研究当中所涉及到的一些热力学及动力学问题进行总结探讨.     

铁脂质体/水分配系数测定及影响因素考察

基于PAF-301分子模型通过Li 掺杂或B取代等模式设计了几种新型多孔芳香骨架(PAFs)材料, 采用量子力学和分子力学方法对新材料的储氢性能进行研究. 由量子力学计算得到了不同分子片段与H₂之间的结合能, 并结合DDEC方法计算了各分子片段的原子电荷分布. 利用巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法计算了77和298 K下H₂在不同PAFs材料中的吸附平衡性质. 结果表明, H₂直接与苯环的结合能较低, 但掺杂Li 原子能够提高H₂与六元环的结合能, 同时Li 原子体现出较高的正电性质, B原子取代苯环中的两个C原子后, 使得原有C原子电负性增强; 77 K下PAF-301Li 具有最高的储氢性能, 而PAF-C₄B₂H₄-Li₂-Si 和PAF-C₄B₂H₄-Li₂-Ge体现出较好的常温储氢性能, 各种材料的常温储氢性能远低于其低温储氢性能. 通过77 K下H₂在PAFs材料中的等位能面分布和吸附平衡质心密度分布对H₂在PAFs 材料中的优先吸附位置进行分析, 发现在PAF-301 和PAF-301Li 骨架中, 由于中心能量较低的等位能区域范围较宽, H₂在其中存在四个明显的吸附高密度分布区域, 而其它三种PAFs晶胞中心能量较低的等位能区域范围较窄, 使得H₂在其中只存在两个明显的吸附高密度分布区域.     

多级孔芳香骨架材料的合成及固载硫脲催化剂的研究

合成了一种多级孔芳香骨架材料(PAF-70); 使用由氨基修饰过的单体, 应用该合成策略得到了同样具有窄分布介孔的含有氨基活性位点的PAF材料, 并通过硫脲单体与其氨基活性位点的反应, 将硫脲基团引入PAF-70材料中, 获得了含有硫脲催化位点的材料(PAF-70-thiourea). 氮气吸附-脱附测试结果显示, PAF-70存在孔径分布较窄的介孔, 介孔孔径为3.8 nm, 与模拟计算值(约3.7 nm)吻合. 热重分析结果表明, PAF-70具有很高的热稳定性. PAF-70在大多数溶剂中可以稳定存在, 具有良好的化学稳定性. 将PAF-70-thiourea作为催化剂, 应用在N-溴代琥珀酰亚胺(NBS)氧化醇类的反应中, 其表现出较高的催化活性、 较高的稳定性和广泛的底物适用性. 与含有相同硫脲催化位点的金属有机框架(MOF)材料(IRMOF-3-thiourea)作为催化剂对比, 进一步证实PAFs材料非常适合作为催化有机反应的固载平台.     

用分子动力学模拟水合物储氢

用分子动力学(MD)模拟方法系统研究了结构Ⅰ型(SⅠ)和结构H型(SH)氢气水合物中氢气的占据情况并确定了氢气水合物的稳定结构: SⅠ水合物氢气分子数小胞中为2, 大胞中为3; SH水合物氢气分子数小胞中为2, 中胞中为2, 大胞中为11. 分析了稳定情况下水合物各胞腔内氢气分子之间的径向分布函数(RDF), 得出了氢气分子在各胞腔内的稳定位置. 由稳定位置得到了稳定结构下氢气水合物的储氢质量分数: SⅠ为5.085%, SH为6.467%. 与实验对比得出结论: SH水合物稳定结构下的储氢能力最强.     

多孔材料的胶囊化储氢*

氢的存储是氢能利用的关键,利用多孔材料的胶囊化作用存储氢气具有独特优点。本文简要阐述了胶囊化形成的原因,重点介绍了胶囊化储氢所用的几种多孔材料及其特点,包括沸石分子筛、金属配位化合物、玻璃微球和球碳及其衍生物。总结了近年来国内外学者利用多孔材料胶囊化作用储氢的研究进展,并从操作条件、对材料的要求、需要克服的能垒等方面分析了胶囊化储氢与物理吸附储氢的差异,进而对今后胶囊化储氢的应用与发展做出了展望。     

多孔有机骨架:基于傅氏烷基化反应的合成与气体吸附性质

通过傅氏烷基化反应成功地合成了基于四苯锗烷构筑单元的多孔有机骨架材料PAF-9。用红外光谱,粉末射X线衍射,固体核磁共振,热重分析和低温氮气吸附-脱附表征了PAF-9材料的微结构与孔道性质。表征数据表明PAF-9具有非常高的热稳定性和化学稳定性,同时具有较高的比表面积。该PAF材料的BET比表面积为334m²·g^-1。此外,得到的PAF材料对二氧化碳具有较好的吸附能力。     

多孔有机骨架:基于傅氏烷基化反应的合成与气体吸附性质

通过傅氏烷基化反应成功地合成了基于四苯锗烷构筑单元的多孔有机骨架材料PAF-9。用红外光谱,粉末X射线衍射,固体核磁共振,热重分析和低温氮气吸附-脱附表征了PAF-9材料的微结构与孔道性质。表征数据表明PAF-9具有非常高的热稳定性和化学稳定性,同时具有较高的比表面积。该PAF材料的BET比表面积为334 m²·g^-1。此外,得到的PAF材料对二氧化碳具有较好的吸附能力。     

Novel Porous Aromatic Framework with Excellent Separation Capability of CO2 in N2 or CH4

A novel porous aromatic framework, PAF-52, was obtained via the polymerization of tetrahedral mono- mer tetrakis（4-cyanodiphenyl） methane（TCDPM） with the aid of a facile ionothermal method. PAF-52 has a surface area of 1159 m2/g（BET）, and shows a considerable high separation ability of CO2 in N2 or CH4 respectively at room temperature, using gas-chromatography experiments as evidence,