硫化氢在金属-有机骨架材料中吸附与分离的计算模拟

摘 要: 采用优化的DREIDING力场参数,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对天然气中的两种气体CH4和H2S在Cu6(BTTC)4(H2O)6·xS (1)和[(CH3)2NH2]3[(Cu4Cl)3(BTTC)8]·yS (2)两种金属有机骨架(MOFs)材料中的吸附与分离性能进行了比较研究.结果证明了聚合物2的吸附量和分离性能相比之下高于聚合物1,且两种材料的吸附机理存在差异,聚合物1中金属Cu和有机基团对于吸附两种气体没有明显的作用,主要分布在小孔道和大孔道;然而聚合物2中H2S和CH4主要吸附在有机基团、金属Cu和-Cl基团周围.则含有-Cl基团的聚合物2展现了优越的吸附能力和稳定性.总而言之,本文获得的结果可以应用于此类研究领域,因此在环境范围中吸附去除污染物可以产生更深层次定性和定量的作用.     

骨架柔性对短链烷烃分子在金属-有机骨架材料中扩散的影响

采用分子动力学方法,对短链烷烃在柔性和刚性具有相似拓扑结构的金属有机骨架材料(isoreticular metal-organic frameworks, IRMOFs)中的分子扩散进行了研究. 结果表明,分子在柔性骨架中的自扩散系数大于在刚性骨架中的自扩散系数,在柔性骨架中的活化能小于在刚性骨架中的活化能. 骨架的柔性对自扩散系数的影响随着温度的升高而增加,随着扩散分子数目以及扩散分子链长的增长而降低. 因此,在利用分子模拟方法研究烷烃在金属-有机骨架材料中的扩散行为时,尤其对于较高温度以及较短的烷烃分 关键词： 分子模拟 金属-有机骨架材料 柔性骨架 扩散     

CO2在金属有机骨架材料有机链上的吸附机理研究

金属有机骨架是一种新型的温室气体CO₂吸附材料。本文采用密度泛函理论（DFT）方法研究CO₂在MOF-5有机链上的6种不同吸附位置及其3种不同构型下的吸附行为。考虑GGA水平下三种不同泛函对计算结果的影响,对比发现GGA/PW91泛函能够较好地计算CO₂分子与有机链原子之间的弱范德华力;发现CO₂分子与苯环边相交以及与苯环上的碳原子平行是两种吸附能最大的构型;利用Br原子替代苯环上的H原子可以显著增强对CO₂分子的吸附能力,为设计具有较高CO₂吸附能力的MOFs材料提供理论依据。     

金属有机骨架材料低温储氢性能测试装置

设计了一套金属有机骨架(MOFs)材料低温储氢性能测试装置。该装置的设计压力为10MPa,可以在低温宽温区范围内对多种金属有机骨架材料的低温储氢性能进行测试,且样品更换方便。此外,还介绍了试验的原理及步骤。     

金属有机骨架材料MOF -5宽温区储氢性能模拟研究

金属有机骨架材料(MOFs)是一种新型的储氢材料,对氢气的吸附存储有较大的潜力.文中对MOF -5材料在低温至常温宽温区(77K～300K)范围内的吸氢性能展开理论研究.采用巨正则系综蒙特卡罗方法(GCMC)模拟不同温度和压力下氢气在MOF -5材料中的吸附等温线,并结合吸附位点来分析MOF -5材料在低温宽温区范围内...     

发光性质可调的金属-有机骨架材料 的合成及发光性质

以对苯二甲酸(H₂BDC)为配体,以锌为中心离子,采用沉淀法合成了具有一维结构的金属配合物 纳米晶,将化合物分散到不同浓度的8-羟基喹啉(8-Hq)溶液中,得到系列配位聚合物 。分别用FT-IR和XRD对目标产物的结构进行了表征。固态发光性质研究显示: 及其配位聚合物具有强的发光,配位聚合物随着8-Hq量的增加,其发光发射光谱有规律地红移,表明该配位聚合物能够通过改变8-Hq与骨架材料间的量的比实现对材料发光性质的调控。     

H2在二维共价有机骨架上吸附的蒙特卡罗模拟研究

使用巨正则蒙特卡罗方法预测H2分子在六种具有不同结构和组分的二维共价有机骨架材料(2D COFs)中的物理吸附行为.研究结果表明:(1)在所研究的温度和压力范围内,ILCOF-1表现出最优异的氢存储性能,是目前2D COFs中储氢量最高的材料之一;其它5种COFs的储氢量低于其它2D COFs中储氢量较高的COF-5,-8,-10和TP-COF,而与COF-1,-6和Pc-PBBA COF相差不多.(2)与3D COFs相比,本文所研究的所有COFs的储氢量均低于目前储氢量最高的COF-105和COF-108;除ILCOF-1外,其它5种COFs材料均低于COF-102和COF-103.根据模拟计算的结果,分析了表面积、孔直径和等量吸附热等因素对COFs储氢性能的影响.对COFs储氢能力的强化提出了一些建设性意见.     

高比表面积金属有机骨架材料(PCN-61,PCN-66)储氢性能研究

应用巨正则蒙特卡洛方法,研究了PCN-61和PCN-66两类金属有机骨架材料的储氢性能;采用Horvath-Kawazoe(HK) 微孔分析方法,分析了两类金属有机骨架材料的孔径分布。研究结果表明：在低温77K,120个大气压条件下,PCN-61和PCN-66的质量储氢密度可达6.2%和7.0%. 低压吸附阶段,两种材料的储氢性能差别不大,随着压力的增加,由于PCN-66具有更多大于8 Å的孔径,因此在增压吸附过程中PCN-66表现出了更好的吸附能力。     

高比表面积金属有机骨架材料(PCN-61,PCN-66)储氢性能研究

应用巨正则蒙特卡洛方法,研究了PCN-61和PCN-66两类金属有机骨架材料的储氢性能;采用Horvath-Kawazoe(HK)微孔分析方法,分析了两类金属有机骨架材料的孔径分布.研究结果表明:在低温77 K,120个大气压条件下,PCN-61和PCN-66的质量储氢密度可达6.2%和7.0%.低压吸附阶段,两种材料的储氢性能差别不大,随着压力的增加,由于PCN-66具有更多大于8的孔径,因此在增压吸附过程中PCN-66表现出了更好的吸附能力.     

沸石类咪唑骨架材料吸附分离天然气的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛方法研究C₂H₆, CO₂和CH₄三种气体在两种沸石类咪唑骨架材料 (ZIF)-ZIF-2和ZIF-71中的吸附与分离性能. 考察了C₂H₆, CO₂和CH₄三种气体在ZIF-2和ZIF-71中的单组分吸附等温线、吸附热; C₂H₆-CH₄, CO₂-CH₄ 与C₂H₆-CO₂等摩尔二元混合物的分离; 以及C₂H₆-CO₂-CH₄三元体系的分离性能. 研究结果表明: 低压下不同气体的吸附量大小与其吸附热关系紧密; 而高压下因有限的孔空间, 尺寸较小的气体分子吸附量增长趋向更快; 多组分吸附分离中, 低压下能量效应通常占据主导, ZIF优先吸附作用力较强的组分; 高压下堆积效应影响显著, ZIF会优先吸附尺寸较小的组分. ZIF-2和ZIF-71对这3种二元体系的分离性能良好. 对于三元混合物吸附分离, 在常温下3000-4000kPa范围内, ZIF-2具有良好的天然气净化性能, 可有效地分离出天然气中的C₂H₆和CO₂. 关键词： 巨正则蒙特卡洛模拟 天然气分离 沸石类咪唑骨架     

Unusual Behavior of Nanocrystalline Strontium Oxide Toward Hydrogen Sulfide

The thermodynamically favored reaction of solid strontium oxide with gaseous hydrogen sulfide is kinetically enhanced to a large degree by the use of higher surface area nanocrystalline SrO in the form of brush-like collections of metal oxide fibers. An unusual feature is that the reaction SrO + H₂S SrS + H₂O proceeds stoichiometrically at room temperature, but at higher temperatures the reaction efficiency goes down, apparently due to rapid temperature induced crystal growth of the nanocrystalline SrO. The samples studied vary in crystallite size from 20 to 27nm, while average particle size (nanocrystal aggregates) varies in the following order; aerogel prepared SrO (100nm) 相似文献   

基于过氧化氢-桑色素化学发光体系的硫化物检测

在pH=9～10范围内,过氧化氢与桑色素溶液混合后可产生较弱的化学发光,表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTMAB)和S2-对该体系化学发光有较强的增敏作用,据此建立了H2O2-桑色素-CTMAB化学发光体系测定S2-的新方法,并对该体系的化学发光反应机理进行了研究.在最佳的实验条件下,S2-在(0.9～9.0)×10...     

真空变压吸附氢气纯化的参数研究

本文首先建立了多孔介质传热传质与吸附模型,模拟了多组分气(N2:CO:CO2:CH4:H2=0.007:0.012:0.23:0.021:0.73和N2:CO:CO2:CH4:H2=0.007:0.012:0.17:0.021:0.79)在AC5-KS活性炭吸附床中的穿透曲线和真空变压吸附循环。将实验数据与模拟值进行对比验证后,分析了压力、进气流率对穿透曲线的影响,并研究了压力、进气流率、循环步数、循环操作时间条件对真空变压吸附氢气纯化的影响。结果发现,增大吸附压力,减小进气流率,减少循环步数和吸附时间,增加冲洗和升压时间都会导致产品氢气纯度上升,氢气产率和回收率下降,并且在一般情况下氢气的纯度变化趋势与氢气产率和回收率变化趋势相反。     

近红外H2S荧光探针研究进展

硫化氢(H₂S)是一种具有臭鸡蛋气味的无色气体,其不但存在于外界环境中,而且是继一氧化氮(NO)和一氧化碳(CO)之后生物系统中第三种重要的内源性气体信号分子,近年来因其对人类健康和疾病的影响而越来越受关注。H₂S可以作为抗氧化剂清除人体内的活性氧(ROS)和活性氮(RNS),参与多种细胞的生理反应,包括细胞凋亡、血管舒张、神经调节等,是多种组织中的细胞保护剂和气体传递剂。现代医学研究已证实硫化氢含量与糖尿病、阿尔茨海默病、帕金森病等特定疾病密切相关,但人们尚不清楚H₂S影响细胞信号传导和其他生理事件的具体分子机制,因此开发用于可视化内源性H₂S的方法、研究其在细胞和生物体中的动态分布将具有非常重要的意义。目前检测H₂S浓度的近红外(NIR)荧光探针是一个研究的热点,这是因为在生物样本分析时近红外荧光探针具有许多显著的优点：光损伤更小、能穿透更深的组织、背景自荧光干扰低。在分子水平上,H₂S表现出独特的化学特性,既是良好的还原剂,又是良好的亲核试剂,用于H...     

石墨狭缝中甲烷吸附的分子动力学模拟

用分子动力学模拟研究石墨狭缝中甲烷的吸附,考察狭缝宽度和温度对甲烷吸附的影响.模拟发现甲烷在石墨狭缝中出现分层现象,吸附层中甲烷具有类液特征,第一吸附层内甲烷中总有两个氢原子的连线与另外两个氢原子的连线分别位于平行于狭缝壁的两个平面内,游离层中甲烷呈现气体的特征;碳原子间的平均作用势说明吸附层中甲烷分子间结合能力大于游离层,吸附态是甲烷在石墨狭缝中的主要赋存形式之一;伦敦力以及由吸附层净电荷产生的电场力是甲烷吸附和分层的主要原因;甲烷的吸附量随狭缝宽度增大或温度升高而减少,当狭缝宽度小于16.46Å时,甲烷仅以吸附形态存在.甲烷在第一吸附层中的扩散能力最弱、游离层中最强,甲烷扩散系数随狭缝宽度的增大或温度的升高而增大.     

结构与尺寸对碳纳米管物理吸附储氢的影响

采用巨正则蒙特卡罗方法,在298K和10MPa下,系统地研究了碳纳米管及其阵列的物理吸附储氢量与单壁管的管径、多壁管的层间距和管层数、单壁管阵列的管间距和排列方式的关系.发现单壁管的管径等于6nm时,管内的储氢密度达到最大;多壁管的层间距由034nm增大至061或088nm时,物理吸附储氢量明显增大;单壁管阵列的管间距等于17nm时,其管外间隙处的储氢密度达到最大,且方阵阵列优于三角阵列;当单壁管阵列的管间距大于06nm时,其管外的储氢密度均大于管内的储氢密度.指出合理地选择单壁管的管径、多壁管的层间距、单壁管阵列的管间距和排列方式,可以有效地提高碳纳米管及其阵列的物理吸附储氢量,并给出了相应的理论解释.     

二维kagome晶格过渡金属酞菁框架的第一性原理研究

本文提出了一种新型的具有kagome晶格结构的二维过渡金属酞菁薄膜(记为kag-TMPc),并通过第一性原理计算的方法系统的研究了其电子和磁学性质. 研究结果表明,二维kag-MnPc薄膜具有稳定的铁磁基态,通过基于海森堡模型的蒙特卡洛模拟,得到其居里转变温度为125 K. 二维kag-CrPc薄膜是自旋$S$=2的基态磁序为RT3态的理想kagome反铁磁材料. 光吸收谱的研究证明,与过渡金属酞菁分子相比,这种自组装形成的二维kagome过渡金属酞菁框架具有更广阔的光吸收范围,特别是在可见光区域.     

机器学习辅助高性能化学信息数据库促进金属有机框架材料基气体吸附材料筛选

基于数据库化学结构搜索和机器学习快速筛选特定功能材料是近年的研究热点. 本文建立了基于MYSQL的高性能化学结构数据库,即MYDB. 数据库利用新的检索算法收集和存储了超过16万个金属有机框架材料,可以实现了高效检索和推荐. 测试结果显示MYDB能够在百万数量级的材料中实现快速高效的关键词搜索,并对相似结构提供实时推荐. 结合机器学习方法和材料数据库,训练了气体吸附模型,以确定一定热力学条件下金属有机框架材料对氩气和氢气的吸附能力. 结合MYDB数据库和机器学习算法训练出的模型能够支持大规模、低成本且方便快捷的结构筛选,从而推进计算材料研究领域中特定功能材料的发现.     

CO2在沸石咪唑酯骨架材料中的吸附机理研究

沸石咪唑脂骨架材料（ZIFs）是一种新型的温室气体CO₂吸附材料。本文采用密度泛函理论计算CO₂在ZIF-68两种不同类型链（nIM和bIM）上的吸附能,计算中选用GGA/PW91泛函。计算结果表明CO₂分子在nIM链上和bIM链上的吸附存在明显的差异。在bIM链上,由于弱的C-H键的存在导致吸附过程中链的几何形状容易发生变形,从而得到较大的吸附能。吸附过程中CO₂分子的键角均有变化,在硝基官能团附近发生吸附时由于硝基的极化作用导致CO₂分子键角变化较其它吸附位变化明显。CO₂分子在nIM和bIM链上的吸附主要以物理吸附为主,范德华力是主要的相互作用力。