纳米多孔材料吸附有害气体的巨正则蒙特卡罗模拟

论文摘要

近年来,对纳米多孔材料如金属有机骨架化合物（MOF）和共价有机骨架化合物（COF）的研究成为了各国科研工作者关注的热点。这两种材料具有可设计的结构、可调控的孔隙以及高的热稳定性等诸多优点,被广泛应用在储气、分离、催化、及制药等领域。另外,氧化石墨烯材料作为石墨烯材料的一种衍生材料,其用途也是十分广泛的。由于石墨烯材料上存在大量的含氧基团,因此过渡金属原子可以很容易的担载在其表面,而使氧化石墨烯的性质发生一定的改变。本文采用第一性原理和巨正则蒙特卡罗模拟两种方法,研究了MOF和COF材料对有害气体的吸附属性,以及改性后的氧化石墨烯材料对CO气体分子的捕捉和分离特性,主要研究内容如下：1、通过巨正则蒙特卡罗方法研究了几种典型的骨架化合物（COF-105, COF-108, MOF-5和MOF-177）在298 K时,对CO, NO和NO2的吸附能力。结果表明这四种材料对NO2的吸附量都比较高,尤其是MOF-177,在温度和压强分别为298 K和10 bar时,对N02的吸附量可以达到10.7 mmol/g。根据模拟的吸附热结果,我们进一步讨论了四种气体（H2, CO, NO和NO2）和四种吸附剂材料（COF-105, COF-108, MOF-5和MOF-177）的相互作用。2、通过第一性原理和巨正则蒙特卡罗方法,研究了担载Ti的氧化石墨烯材料对CO的吸附和分离属性,结果表明在温度和压强分别为298 K和10 bar时,CO的吸附量可以达到7.5 mmol/g,是模拟的其它气体（CO2,N2和CH4）吸附量的2到6倍。因此担载Ti的氧化石墨烯可以作为良好的CO分离材料。所以我们也可以通过担载不同的原子来研究不同金属修饰的氧化石墨烯材料对其它气体的分离能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属有机骨架材料（MOFs）和共价有机骨架材料（COFs）
• 1.2.1 金属有机骨架材料（MOFs）
• 1.2.2 共价有机骨架材料（COFs）
• 1.3 金属修饰的氧化石墨烯材料
• 1.3.1 氧化石墨烯
• 1.3.2 金属修饰的氧化石墨烯
• 1.4 本文研究目的和主要研究内容
• 2 模拟方法简介
• 2.1 巨正则蒙特卡罗方法（GCMC）
• 2.1.1 MC方法的基本思想
• 2.1.2 巨正则系综蒙特卡罗方法
• 2.2 密度泛函理论（DFT）
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
• 2.2.2 Kohn-Sham方程
• 2.2.3 交换关联泛函
• 2.3 本论文中使用的计算程序简介
• 2/CO/NO/NO₂'>3 巨正则蒙特卡罗模拟研究MOFs和COFs吸附H₂/CO/NO/NO₂
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型与方法
• 3.3 结果和讨论
• 3.3.1 等温吸附线
• 3.3.2 等温吸附热
• 3.4 本章小结
• 4 担载Ti金属的氧化石墨烯对一氧化碳的吸附和分离
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型与方法
• 4.3 结果和讨论
• 4.3.1 Ti-GO的结构模型
• 4.3.2 气体在Ti-GO上的吸附
• 4.3.3 气体等温吸附曲线
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢