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金属-有机骨架材料(Metal-OrganicFrameworks,MOFs)是一种良好的气体吸附材料,通过研究材料对气体的吸附分布发现,吸附气体后的MOF材料的孔穴仍有部分空间存在。本课题组拟借助水合物高密度储存气体的特点,结合MOF材料自身对气体的吸附能力,采用吸附‐水合耦合的方法来提高气体的储存能力,即利用水合物在材料中的生成和材料本身对气体的吸附叠加来增加储气量。但大多数MOF材料含水时结构不稳定,而MOF材料中的沸石一咪唑酯骨架材料(ZeoliticImidazolateFrameworks,ZIFs)系列在含水时其结构具有良好的稳定性。考虑到ZIF-8材料良好的热稳定性和防水能力,因此其被认为是进行吸附.水合耦合法储气研究的最佳材料之一。
本课题组通过实验研究发现采用ZIF-8进行吸附-水合耦合法的储气量显著高于其仅发生吸附时的气体储存量,该结果表明一定量的水合物存在能有效提高该材料的储气能力。为进一步揭示这种现象及开发更好的储气方法和材料,本文借助分子模拟方法分别研究了甲烷和二氧化碳气体分子及水分子在ZIF-8孔穴中的分布及微观结构,论文主要研究内容如下:
(1)通过分子模拟的方法对不同吸附材料的吸附量进行计算,筛选出具有高效吸附能力并且在含水时能稳定的ZIF-8作为吸附.水合耦合法储气的材料,并用MS(MaterialStudio)软件对其表面性质进行了计算,结果表明ZIF-8相比传统吸附材料具有更大的表面积及自由体积。
(2)通过ZIF-8对甲烷及二氧化碳吸附能力的模拟计算,验证了本论文中所采用模拟力场的正确性,并基于此开发了采用ZIF-8材料用作吸附-水合耦合法储存气体的力场。
(3)通过分子模拟的方法考察了水合物在ZIF-8中的生成位置对气体吸附量的影响。结果表明水合物生成位置对储气量影响显著,当水合物占据吸附中心位置时,储气量比单吸附时更低。
(4)通过分子模拟的方法对吸附-水合耦合法储气时水合物在ZIF-8中的存在形态(如,环形结构,笼型等)进行研究。结果表明水合物不是以完整的晶胞在ZIF-8材料中存在,而是以五元水环的形式存在于材料中。