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本文以研究金属有机骨架材料(MOFs)捕获和分离C02为潜在的应用背景,针对如何进一步提高MOFs材料对C02的吸附容量、吸附选择性和抗水汽负面影响的性能,应用理论分析、计算机分子模拟和实验手段相结合的方法,从理论层面上研究CO2和N2在MOFs材料上的吸附机理和吸附选择性,从技术层面上对MOFs进行表面改性,实验测定其吸附CO2,N2和H2O在MOFs上的吸附性能和水蒸气对材料吸附的影响,属化学工程、材料工程和表面科学交叉的研究领域,具有重要科学研究价值和实际意义。本文系统地研究了CO2在MIL-101颗粒上的吸附相平衡和动力学。采用重量法测定了CO2在MIL-101上的吸附等温线和动力学曲线以及估算C02在MIL-101颗粒内的扩散系数、等量吸附热和扩散活化能。结果表明：在常温30bar条件下,MIL-101对CO2的吸附容量高达22.9mmol/g,在常温常压下其对CO2的吸附容量高达3.62mmol/g,明显高于传统13X分子筛和活性炭以及其它一些MOFs的吸附容量。CO2等量吸附热随表面覆盖率的增加而下降,在4.0-28.6kJ/mol之间；CO2在MIL-101内的扩散系数在4.11×10-11-2.54×10-10cm2/s之间；C02在MIL-101上经过三次循环吸附-脱附后,其脱附效率高达98%,MIL-101具有很好的再生性能。本文采用N2或H2氛围热处理和氨水浸渍方法对ZIF-8材料进行表面改性。结果表明：采用氨水浸渍改性的样品A-ZIF-8对CO2的吸附容量最高,比原始的ZIF-8提高了45%。A-ZIF-8对C02/N2的选择性比原始ZIF-8样品增加了56.18%。更重要的是,改性后样品与水分子之间的作用力减弱,ZIF-8材料的憎水性明显增强。本文提出采用乙二胺对ZIF-8晶体进行后合成改性制得ED-ZIF-8材料。结果表明,ED-ZIF-8的BET比表面积比ZIF-8增加了39%,其对C02的吸附容量几乎为原始ZIF-8样品的两倍。IAST模型估算混合组分气体吸附选择性结果表明,对等摩尔CO2/N2混合气体,当压力分别为0.1bar和0.5bar时,ED-ZIF-8样品对C02/N2的选择性几乎是ZIF-8样品的两倍。水蒸气吸附结果表明,水蒸气在ED-ZIF-8上的吸附容量要低于ZIF-8样品上的吸附量,表明ED-ZIF-8的憎水性能得到增强。本文采用GCMC分子模拟和实验研究相结合方法研究了柱撑类MOFs及它们的改性产物对单组分的吸附等温线以及对二元混合气体C02/N2的吸附等温线和选择性。结果表明：GCMC分子模拟得到的吸附等温线与实验测定的吸附等温线很好地吻合；GCMC分子模拟和IAST模型计算的混合物吸附等温线和选择性完全一致；引入氨基官能团改性非互穿结构材料后得到的样品N13#,不仅其对C02的吸附容量明显提高,而且对C02/N2的选择性提高了134%。引入甲基改性互穿结构MOFs得到的12#材料其对C02/N2的选择性可高达800。本文采用GCMC分子模拟计算C02,N2和CH4及其混合气体在一种新的rht型MOF-CuTDPAT上的吸附行为,研究了水蒸气的存在对材料吸附性能的影响。结果表明：低压条件下Cu-TDPAT对C02的吸附量远高于同类型MOFs,这是由于它含有大量的不饱和金属位和路易斯碱性位,它对C02/N2的选择性高达88(15%CO2,1atm)。水蒸气的存在会在Cu-TDPAT表面与C02和N2形成竞争吸附,导致它对C02和N2的吸附量下降,然而,由于水蒸气会形成与N2更强的竞争吸附,导致N2的吸附量大幅下降,使得Cu-TDPAT对C02/N2的吸附选择性得到提高。本文研究和综合比较分析了MOFs含有的电荷静电力、功能基团以及水蒸气的存在对其吸附C02性能的影响。分子模拟结果表明：Cu-TDPAT骨架上原子电荷的静电力对整个材料吸附CO2容量的贡献达到60%,表明材料的原子密度对其吸附性能发挥重要作用；MOFs含有的不饱和金属位(OMSs),路易斯碱性位(LBSs)或其它极性位(OFSs)能与C02的四极矩之间产生较强的相互作用,有助于增强此类材料对C02的吸附；H20会在MOF74-Mg和Cu-TDPAT表面的不饱和金属位OMSs上与C02形成强的竞争吸附,导致它们对CO2的吸附量减小。还有一个重要发现是,虽然水蒸气的存在使Cu-TDPAT对C02的吸附容量降低,但它导致对N2的吸附容量下降更明显,最终使得Cu-TDPAT对CO2/N2的选择性明显提高,并达到187。另一方面,对含有饱和金属位的Cu(bpy-1)2(SiF6)和Cu(bpy-2)2(SiF6)来说,H20与这些饱和金属位之间的相互作用力较弱,使得这两种材料吸附CO2的性能受水蒸气负面影响较小。研究获得的这些规律对于研制高性能分离CO2的MOFs材料具有重要的指导意义。