选择性吸附苯的金属有机骨架(MOFs)材料设计

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  本文通过对MOFs材料的吸附性质进行高通量计算,探索苯和醋酸乙烯的吸附规律,探究影响吸附的主要因素,并筛选出最佳的选择性吸附苯的MOFs材料,最后设计出性能更优的分离苯的MOFs材料。主要研究内容如下:
  (1)依据苯分子含有大π键的特性,选取了152种可能优先吸附醋酸乙烯中微量苯的MOFs材料进行比较研究。
  (2)运用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法,借助RASPA模拟软件,在100kPa和373K条件下,对上述152种MOFs材料进行了高通量计算,通过对MOFs吸附规律的研究发现,MOFs中的配位不饱和金属位及带极性官能团的有机配体有利于优先吸附苯分子。通过计算筛选出了五种在苯和醋酸乙烯混合物中对苯的吸附选择性分离系数>7000的MOFs材料,分别为ECOLEP、FUTDII、EYOQAL、DUFGOB以及FEWTUY。其中,ECOLEP对苯的吸附选择性分离系数最大,为108017.5。
  (3)以ECOLEP为基础,通过改变中心金属的类型,设计出了4种ECOLEP-M材料,计算得出在常压下ECOLEP-Cu对苯的吸附选择性分离系数最大,为180300.2。以ECOLEP-Cu为基础,在其上引入-CF3基团,设计出了两种ECOLEP-Cu-CF3新型材料,结果表明,当压力较低时(<15kPa),2-ECOLEP-Cu-CF3对苯的吸附选择性系数最高,在15kPa压力下可达755272.2。当压力较高时(15kPa~150kPa),ECOLEP-Cu对苯的吸附选择性分离系数最大。考虑到工业上常压生产条件的耗能比较低,因此本文在所设计出的6种MOFs材料中,选择ECOLEP-Cu作为脱除醋酸乙烯中微量苯的最佳吸附材料。
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