论文题目: 金属离子—氦原子团簇的量化计算与气体在金属有机骨架材料中的吸附性能研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 化学工程
作者: 卜新平
导师: 仲崇立
关键词: 金属离子氦原子团簇,金属有机骨架材料,量子化学计算,分子动力学模拟,吸附能,最高可吸附温度
文献来源: 北京化工大学
发表年度: 2005
论文摘要: 在气相单分子或原子与凝聚态物质之间，团簇起着桥梁的作用，它能解释诸如成核现象、相变、溶剂化以及簇的特殊反应。团簇中原子—原子或者离子—原子间的相互作用机理成为许多实验和理论研究的主题。金属有机骨架材料是一种类似于沸石的软材料，但是它具有所有含碳化合物的化学多样性。并具有较大的表面积和孔隙率，以及特定尺寸的可裁剪性，高渗透性等特性，正好满足催化、分离、能量储存与释放的需要。开发其在吸附剂和膜分离材料的应用，对环境和能源工程具有非常重要的实际意义。计算化学（包括分子模拟与量子化学）不仅可以突破传统方法中的局限性，而且还可为最佳吸附材料的设计和最优操作工况的确定提供理论依据，通过对材料与客体分子间相互作用的研究，能够对材料微相结构与性能进行控制，材料的制备将实现从以经验为主向定量、定向制备的转变，从而节省大量繁杂的实验研究。 本论文对于金属离子—氦原子团簇主要采用量子化学从头计算的方法，研究了分子结构和成簇机理。对于金属有机骨架材料储能和吸附性能采用基于量子化学和分子模拟两种方法，构建了多个计算模型，并进行了系统的研究。基于上述研究方法，主要内容和创新点如下： 对Be+Hen（n=1-12），Mg+Hen（n=1-10）和Mg2+Hen（n=1-10）离子团簇采用GAUSSIAN03软件进行了量子化学从头计算，得到其最稳定结构，以及相应的经ZPE（零点振动能校正）和BSSE（基组重叠误差）校正后的结合能，以及离子团簇的振动频率，分析了多体作用和基组重叠误差对结合能的影响。BeHen+（n=1-10）和MgHen+（n=1-10）离子团簇可用溶解态模型描述，从一侧逐渐包围带电离子到最后排满第一壳层。而Mg2+Hen（n=1-10）离子团簇具有更高的对称性，二价镁离子总被氦原子包围于中心。Be+Hen，Mg+Hen，Mg2+Hen离子团簇第一壳层充满氦原子数目分别为12，20，9，后两者结果与实验观测值吻合。
论文目录:
第一章 文献综述
1．1 前言
1．2 材料研究的量子化学方法
1．2．1 从头算起方法
1．2．2 半经验分子轨道方法
1．2．3 密度泛函理论
1．3 材料研究的分子力学模拟方法
1．3．1 分子力学方法
1．3．2 分子动力学方法
1．4 分子力学与量子力学相结合的算法
1．5 前人的研究成果
1．5．1 金属离子—惰性原子团簇的结构与成簇机理的量子化学研究
1．5．2 流体在金属有机骨架材料的吸附性能研究
1．6 论文选题的依据和意义
1．7 本论文的创新之处
第二章 金属离子—氦原子团簇的结构及成簇机理的量子化学研究
2．1 引言
2．2 量化计算方法
2．3 铍离子—氦原子团簇
2．3．1 计算方法比较
2．3．2 计算基组比较
2．4 镁离子—氦原子团簇
2．4．1 计算方法比较
2．4．2 Mg~+He_n(n=1-10)团簇的结构研究
2．4．3 Mg~(2+)He_n(n=1-10)团簇的结构研究
2．4．4 Mg~+He_n(n=1-10)和Mg~(2+)He_n(n=1-10)的分析比较
2．5 Mg~+He_n(n=1-10)和Be~+He_n(n=1-12)的分析比较
2．6 本章小结
第三章 氢气在金属有机骨架材料中吸附的密度泛函理论研究
3．1 引言
3．2 金属有机骨架材料
3．2．1 金属有机骨架材料的分类
3．2．2 金属有机骨架材料的合成设计
3．3 计算理论和方法
3．3．1 密度泛函理论
3．3．2 金属有机骨架材料的计算模型
3．4 参数设置
3．5 模拟结果与讨论
3．5．1 角落位置的吸附
3．5．2 苯环位置的吸附
3．5．3 结果讨论
3．6 本章小结
第四章 气体在金属有机骨架材料中吸附的分子动力学模拟
4．1 引言
4．2 模拟理论与方法
4．2．1 COMPASS力场
4．2．2 计算方法
4．3 模拟结果与讨论
4．3．1 原子电荷计算
4．3．2 三种力场计算气体在MOF-5中最优吸附位置
4．3．3 温度和静电作用对气体吸附性能的影响
4．4 本章小结
第五章 QM／MM方法研究氢气在金属有机骨架材料中的吸附能
5．1 引言
5．2 QM／MM理论
5．2．1 能量分割法
5．2．2 能量扣除法
5．2．3 自洽场法
5．2．4 区域的划分
5．3 QM／MM计算MOF-5中吸附氢分子的方法
5．4 计算结果与讨论
5．4．1 氢分子在MOF-5材料中的吸附势能曲线
5．4．2 MOF-5中苯环位置吸附氢分子的优化结果
5．5 本章小结
第六章 结论
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文情况
作者简历
发布时间: 2006-09-13
参考文献
- [1].二元原子团簇和自由基氢键络合物的量子化学研究[D]. 曲玉辉.山东大学2005
- [2].碳、硫二元原子团簇的实验和理论研究[D]. 陈宏.厦门大学2001
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