基于四唑酯构建的金属有机骨架材料及其甲烷存贮性能研究开题报告

 2020-02-20 09:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着天然气在能源领域所占比重的日益提高,天然气汽车因其节能减排的突出效果备受世界各国的关注,其发展所面临的最大技术障碍是缺乏安全、经济、高容量的车载天然气储存系统。目前主要的天然气储存技术有四种:压缩天然气储存(cng)、液化天然气储存(lng)、天然气水合物储存(ngh)和天然气吸附储存(ang)。综合考虑储能密度、所需设备材料投资、运营维护以及系统成本等因素,ang储存技术相对于其他储存技术,具有经济性好、使用方便、安全性高等优点,展现出了巨大的研究前景,将有望取代lng技术和cng技术实现大规模商业应用。目前针对ang吸附剂的开发研究,主要有三类材料:沸石分子筛类吸附剂、碳质吸附剂以及金属有机骨架类吸附剂。由于沸石分子筛类吸附剂对甲烷的吸附储存能力较差、碳质吸附剂的微孔数量所占比例并不大而且孔容孔径分布不可控,所以这两类材料难以进行大规模生产应用。金属有机骨架材料(mofs)的孔隙率高,孔径均匀可调,比表面积远高于具有相似孔道结构的分子筛材料,是一类具有广阔应用前景的甲烷吸附材料。

mofs材料是由有机配体与金属离子自组装而成的多空固体结构材料,过去也被称为有机-无机杂化材料或者配位聚合物,这里的有机配体大都是多碱和芳香多酸。mofs材料的金属离子与有机配体不仅构成mofs的骨架结构,而且骨架上的金属离子可以开放金属点位,作为甲烷的活性位点吸附储存甲烷,因此才备受关注。最初是由美国的yaghi课题组合成出能够稳定存在的mofs材料,使其成为甲烷吸附储存领域的研究热点和前沿。之后该课题组合成了主要由含羧基的有机阴离子配体和含过渡金属离子的团簇络合而成的第二代mofs材料irmof系列,其克服了第一代mofs材料移除客体分子导致骨架坍塌的缺陷,引起了人们的广泛关注。2008年,周宏才课题组合成出pcn-11和pcn-14两种具有高甲烷吸附容量的mofs材料,打破了当时最高甲烷吸附量的记录,通过实验测得两者的甲烷吸附容量分别可高达171 v(stp)/v和230v(stp)/v。除了通过实验和精密仪器研究mofs材料的甲烷吸附储存机理,许多研究人员也采用模拟计算的方法,从微观角度揭示影响mofs材料甲烷吸附量的影响因素。wang采用分子动力学模拟方法,计算了10种不同mofs材料的甲烷吸附容量,结果发现影响mofs材料甲烷吸附储存的主要因素有吸附热、有效比表面积、自由孔容和骨架电荷密度等,其中有效比表面积和电荷密度起着至关重要的作用。

目前对于mofs材料吸附储存甲烷的研究旨在提高其甲烷吸附容量,以满足doe商用目标。一般汽车内燃机的工作压力为5bar左右,而mofs材料的研究主要集中在常温、35bar下的甲烷吸附量,因此研究人员定义35bar和5bar下mofs材料的甲烷吸附量差值即为工作容量,部分mofs材料在35bar和5bar下可能都具有较高的甲烷吸附量,即工作容量较低,这显然不符合实际应用的需求,反应在吸附等温线上即出现较大的滞后环。为了满足实际应用的要求,我们希望得到在35bar具有较高吸附量同时在5bar时吸附量较低,即工作容量较大的mofs材料。本课题以甲烷存贮性能优化为应用目标,主要通过计算机辅助分子设计方法,以四唑酯结构为基础构建若干具有潜在高甲烷存贮性能的金属有机骨架材料,并对材料甲烷存贮性能进行分子模拟与结果分析。

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2. 研究的基本内容与方案

目标:

通过分子设计得到一批具有不同拓扑结构(如fcu、urr)的多孔骨架材料,模拟在不同温度,压力条件下对ch4的吸附,找到几个性能优越且满足doe要求的ch4存储mofs材料并且找出特定结构对ch4存储性能的影响及其原因。

研究内容:

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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:掌握基于金属有机骨架材料分子设计方法、结构参数计算方法

第6-9周:通过gcmc模拟方法对mofs材料甲烷存贮性能进行计算与筛选;

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4. 参考文献(12篇以上)

[1]wu x , peng l , xiang s , et al. computational design of tetrazolate-based metal–organic frameworks for ch4 storage[j]. physical chemistry chemical physics, 2018, 20,30150

[2]程振飞. 金属有机骨架材料的制备其对甲烷的吸附储存性能研究[d].华东理工大学, 2018.

[3]li h l , eddaoudi m m , o'keeffe m , et al. design and synthesis of an exceptionally stable and highly porous metal-organic framework[j]. nature, 1999, 402(6759).

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