1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，大量化石燃料（煤、石油等）的燃烧所排放的co₂已造成严重的环境问题，最为突出的就是温室效应的出现，大量的co₂进入大气层形成温室效应是导致全球气候变暖的主要原因之一，全球气候变暖带来南极冰川融化、海平面升高、气候反常等一系列的环境问题，这些问题都影响着人类的生存和发展。目前新能源的开发尚未取得突破性进展，各行业主要还是依赖化石燃料，研究co₂的储存与捕集技术有着重要意义。

燃煤电厂烟道气的主要组成为co₂和n₂混合物，还含有o₂和水蒸汽等其它气体。为了从烟道气中将co₂分离出来，传统的方法常用有机胺类溶液作为吸收剂进行吸收和解吸单元操作，解吸过程须在高温下进行，整体能耗较高，而采用固体吸附剂的变压吸附法分离co₂能大大降低过程的能耗。近年来，金属有机骨架材料（mofs）、多孔芳香骨架材料（pafs）和共价有机骨架材料（cofs）等新型多孔骨架材料被广泛应用于co₂吸附与分离领域，与传统固体吸附剂相比，多孔骨架材料由于其具备较高的比表面积、自由孔体积和化学稳定性，而且具有结构多样性、功能可设计性和孔穴尺度可调节性等优点，在气体储存、气体分离与分子催化等领域具有很高的潜在应用价值，逐渐成为国内外研究的焦点。 国内外学者针对多孔材料在气体存贮和气体分离等领域的应用进行了大量的理论与实验研究，并积累了丰富的成果。如yaghi等设计了具有良好co₂吸附性能的mof-200和mof-210,298k，5mpa吸附量分别达到2473和2396mg/g, babarao 、jiang j等通过分子模拟手段发现rho-zmof对co₂/n₂，co₂/h₂，co₂/ch₂，有较高的分离性能。国内相关的课题和研究也在不断的跟进和深入，张秀芳等合成了骨架带电的类沸石金属一有机骨架材料usf-zmof和sod-zmof，他们通过离子交换法将骨架中体积较大的有机阳离子用较小体积的无机阳离子取代, 发现采用li 离子交换后的usf-zmof材料 的比表面积增加, co₂吸附量也随之增加。 huang等设计的tnd-1和tnd-2也具有良好的co₂吸附与分离性能，其中298k时，tnd-2对co₂/h₂(20/80)的选择性高达104。国内外学者的研究表明，通过控制、调整多孔骨架分子的孔径大小可以改变co₂的吸附量及吸附选择性，此外金属离子和苯环的插入也会改变相应的性能，但孔径大小设计的具体数目，结构骨架如何改变，金属离子和苯环插入的数量及位置这些因素对co₂吸附的最优结果并没有明确的结论，本设计希望通过结构的具体优化得到co₂吸附性能更佳的多孔骨架分子材料。

本课题拟通过设计一系列具有不同拓扑结构、不同骨架节点和不同长度的有机连接体的多孔材料结构，利用密度泛函理论（dft）对材料构型进行优化，然后采用ddec方法得到骨架原子部分电荷，并通过巨正则蒙特卡洛（gcmc）模拟计算co₂/n₂混合物在298k下的吸附分离选择性，重点探讨多孔骨架材料的结构特征参数、等量吸附热等因素对其co₂/ n₂混合物分离选择性产生影响的规律和潜在机理。

2. 研究的基本内容与方案

2.1目标

得到一种对烟道气中co₂具有较高选择吸附性和较大吸附和iast研究量的多孔骨架材料。深入研究不同多孔骨架材料对co₂的吸附性能影响的机理。

2.2基本内容

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，掌握新型多孔骨架材料分子建模、原子部分电荷计算的方法

第6-9周：研究新型多孔骨架材料的烟道气脱碳选择性吸附性能

4. 参考文献（12篇以上）

[1] wu xuanjun, huang j, cai w, et al. force field for zif-8 flexibleframeworks: atomistic simulation on adsorption, diffusion of pure gases as ch4,h2, _co2 and n2[j]. rsc adv 2014, 4: 16503-16511.

[2] mcdaniel j g,li s, tylianakis e, et al. evaluation of force field performance forhigh-throughput screening of gas uptake in metal–organic frameworks[j]. journalof physical chemistry c, 2017, 119(6):3143-3152.

[3] kim k c,fairenjimenez d, snurr r q. computational screening of functional groups forcapture of toxic industrial chemicals in porous materials[j]. physicalchemistry chemical physics, 2017.