金属—有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是近年来发展非常迅速的一种新型纳米多孔材料,和传统多孔材料相比,这种材料具有种类多样性、结构可调控性、低晶体密度以及高比表面积等优点,成为当前材料领域的研究前沿与热点。近年来,计算机技术的飞速发展和理论方法的进步使理论与计算化学成为一门新兴的学科,实验研究和理论化学计算的结合改变了化学作为纯实验科学的印象。应用计算机分子模拟技术探索MOF材料的结构与其性能间的关系,可以为材料的设计与合成提供理论指导。天然气及氢气是过渡型的清洁能源气体,天然气的主要成份为甲烷,二氧化碳为主要杂质,甲烷和氢气是天然气蒸汽重整制氢过程中需要分离的重要体系。本论文采用量子力学和分子模拟的方法研究MOF材料对二氧化碳/甲烷、甲烷/氢气的分离能力,研究材料结构性质和其分离能力的关系及规律,并依据得出的规律指导新材料的设计,主要研究内容如下：1、利用分子模拟方法研究流体在MOF材料中的吸附、分离等现象时,作为输入参数需要先计算材料的骨架原子电荷,采用“基于原子连接性贡献(connectivity-based atom contribution, CBAC)"方法对所研究材料中新出现的原子类型的电荷进行计算,新增了46种原子类型的电荷值。2、采用GCMC分子模拟的方法,计算了室温下80种MOF材料对甲烷二氧化碳混合气体的分离选择性和100种MOF材料对甲烷氢气混合气体的分离选择性,并筛选出分离这两个体系效果较好的材料。3、在分离甲烷/氢气体系效果较好的MOF材料中,CUK-2的分离能力尤为突出,分析得出,CUK-2中硫元素的存在使流体尤其是甲烷与材料之间的范德华力增大,并且硫元素的质量密度越大,材料的吸附选择性越高,并且随着硫元素质量密度的提高,它的贡献也就越大。4、系统研究了两个典型压力下SCO2/CH4、SCH4/H2与MOF材料的孔隙率、自由体积、有效比表面积及两组份吸附热差的关系,研究发现,这四个因素对MOF材料选择性都有一定的贡献,但选择性与单个因素进行关联得不到较好的规律。5、本论文为为纳米多孔材料定义了一个新的参数,即吸附参数AD。将SCO2/CH4、SCH4/H2与1/△AD进行了关联,并通过对曲线拟合得到选择性与△AD的关系式,可以利用得到的定量关系式估算选择性,加速了材料的大规模筛选。6、分析选择性随△AD的变化趋势,得到临界值,当△AD大于临界值的时候,其选择性有可能很大,但是当△AD小于临界值的时候,其选择性会非常小。因此,对于特定的体系,合成具有较大吸附热密度差的材料,可以作为设计新材料的指导方向。