开放金属铜位点MOFs材料选择性吸附分离烃类混合物的研究开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

乙烯、乙烷等低碳烃是合成化学工业产品重要的基本原料,烃类混合物的分离是化工生产过程中重要的分离过程之一。传统分离技术常采用低温精馏工艺,但由于低碳烃的分子结构相似,尺寸相近,从而导致低温精馏技术存在能耗高、分离选择性差、投资大等缺点。当前,吸附分离技术正凭借其低成本、易操作等优势逐渐被人们所重视,而吸附分离技术的关键则在于合适吸附剂的选择,目前,常用的吸附剂包括活性炭、沸石分子筛、硅胶等传统吸附剂和金属有机框架材料(mofs)等新型吸附剂,与传统吸附剂相比,mofs材料具有比表面积大、孔隙率高、可功能化修饰、结构多样化等优点,其可通过利用氢键、配位键等识别机制,或通过精确控制材料的孔径、孔型等方法来实现烃类混合物的分离。高度的可设计性和多样的结构使mofs材料在气体分离方面展现出了巨大的应用前景,因此受到研究者们的广泛重视。

mofs材料是一种由金属离子或金属簇与桥联的有机配体自由组装而形成的新型有机-无机杂化材料。近年来,mofs材料在选择性吸附分离烃类混合物的研究方面已取得多项成果。由于mofs材料种类繁多,实验研究的材料种类有限,因此,众多研究者们选择采用高通量计算方法来快速获取最佳性能目标材料。snurr等针对甲烷存储性能,首次对137953种 mofs材料采用高通量计算筛选方法,从中发现了300余种高性能储甲烷的mofs材料结构。qiao等利用高通量计算方法筛选出6013种mofs材料用于从天然气中分离出h2s和co2,确立了mofs材料结构与性能间的关系,从中发现了性能优异的mofs材料。cao课题组利用巨正则蒙特卡洛模拟(gcmc)方法对23种不同的具有代表性的金属有机骨架材料(mofs)在rn/n2和rn/o2混合物中的选择性进行了研究,发现了zif-12、hkust-1、imro-62和zif-11四种优良的可用于捕捉rn的材料。simon课题组则通过gcmc模拟计算,分析了ch4工作容量与材料最大孔径间关系。在烃类混合物分离实验研究方面,liu等利用一种六羧酸配体(tdpah)合成了金属有机框架材料[cu3(tdpah)(h2o)3]#8226;13h2o#8226;8dma,该材料在102.3kpa,298k时,对c2h4、c2h2、c2h6以及ch4的吸附量分别为116.7cm3/g、155.7cm3/g、107.2 cm3/g、22.4cm3/g。bao等则将ag(i)离子引入磺酸基功能化的mof材料cr-mil-101-so3h,303k时,在等物质的量的c2h4/c2h6混合物分离过程中,材料对乙烯的吸附能力较高,分离选择性为16,获得了较好的c2h4/c2h6分离效果。li课题组合成了fe2(o2)(dobdc),研究了材料与c2h6的结合性能,测试了c2h4/c2h6混合物的分离性能,发现在较宽的压力范围内,c2h4/c2h6分离选择性较高。chen等课题组利用精确调控孔道相关结构以及通过控制孔道表面电荷,识别出了乙烯和乙烷分子在电荷分布上的差异,实现了c2h4/c2h6的分离。

目前,金属有机框架材料(mofs)虽然在烃类混合物吸附分离方向上展现出了优良的性能,但种类繁多的mofs材料也增加了吸附剂的筛选难度。当前,在c2h4/c2h6混合物吸附分离方向上,大量的mofs材料仍存在吸附量小,分离选择性差等问题,且对于mofs材料的筛选方法、材料结构与吸附性能间的关系以及吸附机理等内容的报道目前尚十分有限。因此,本课题拟在课题组的前期研究基础之上,以从tobacco mofs数据库中筛选出的5732种具有开放性金属铜位点的mofs材料为研究对象,以c2h4/c2h6混合物的选择性分离为应用目标,主要通过巨正则蒙特卡洛(gcmc)进行吸附模拟计算,旨在探索出不同mofs材料结构与吸附性能间的关系,同时系统的针对所筛选材料选择性分离c2h4/c2h6混合物的机理进行深入分析,尽可能的筛选出吸附量大,吸附性能优良的mofs材料,为获得高效选择性分离烃类混合物的吸附剂奠定理论与实践基础,同时为进一步研发高性能的mofs材料提供理论基础。

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2. 研究的基本内容与方案

  1. 2.1 研究的目标:

    通过巨正则蒙特卡洛(gcmc)模拟方法模拟c2h4/c2h6分子在具有开放性金属铜位点的mofs材料中的吸附平衡状态,找出所筛选mofs材料的结构与吸附性能间的关系,对所筛选材料选择性分离c2h4/c2h6混合物的机理进行系统分析,筛选出性能最佳的mofs材料。

    2.2 研究的基本内容:

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    3. 研究计划与安排

    第1-2周:资料收集、整理,撰写开题报告,完成英文翻译;

    第3-5周:熟悉gcmc模拟方法与力场参数的修改,确定开放金属铜位点mofs材料分子建模、烃类混合物分离筛选方法;

    第6-9周:研究开放金属铜位点mofs材料烃类混合物的选择性吸附性能;

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    4. 参考文献(12篇以上)

    [1] zhu q l, xu q. metal-organic framework composites[j].chem.soc. rev., 2014,43(16):5468-5512.

    [2] 卞磊,李炜,魏振振,刘晓威,李松.基于高通量计算筛选的金属有机骨架材料甲醛吸附性能[j]. 化学学报, 2018,76(4):303-310.

    [3] colon y j, snurr r q.high-throughput computational screening of metal-organic frameworks[j].chem.soc.rev., 2014,43(16):5735-5749.

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