金属-有机骨架材料cu-btc中烷烃扩散性质的分子模拟研究

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1、北京化工大学硕士学位论文金属-有机骨架材料Cu-BTC中烷烃扩散性质的分子模拟研究姓名：王冬一申请学位级别：硕士专业：化学工程指导教师：仲崇立20090603摘要金属一有机骨架材料Cu．BTC中烷烃扩散性质的分子模拟研究金属一有机骨架材料(Metal．OrganicFrameworks，MOFs)是一种具有较大的比表面积和孔隙率、热稳定性好、结构组成具有多样性的新型纳米多孔材料，在储能、分离以及催化等领域有着广阔的应用前景。其中，Cu．BTC材料除了与MOF典型材料MOF．5一样具有三维正交的孔道外，由于其具有独特的面对主孔道开放的

2、网兜结构，使得其孔结构变得相对复杂，具有较高的研究代表性。而烷烃作为化工基础原料，研究其在多孔材料中的扩散性质，有着很重要的现实意义。因此，进行Cu．BTC材料中烷烃扩散性质的研究，对该类材料的吸附、分离等实际应用以及新材料的合成有着重要的指导意义。本文采用分子模拟方法，研究直链烷烃C1--C4在Cu．BTC中的扩散性质，主要内容如下：1、将Cu．BTC晶胞划分为A孔、B孔和Pocket(P)三类区域。整体上，A孔与B孔互相连通，组成了三维正交的主孔道AB，A孔与Pocket互相连通，形成了一种特殊的次孔道AP。2、计算了烷烃的总自

3、扩散系数与两孔道的局部自扩散系数，得出总白扩散系数与两种局部自扩散系数均表现出随链长的增加逐渐降低，且降低的幅度逐渐减小的趋势。其中总自扩散系数的变化主要北京化工大学硕士学位论文受AB孔道的影响，并且随着链长的增加，AB孔道的影响进一步增加，AP孔道的影响则进一步降低；3、通过质心分布图研究烷烃在主孔道AB中的扩散，发现烷烃在主孔道中存在着从B孔通过A孔“跳跃’’到周围B孔的A≠B型的孔间扩散路径，并且随着烷烃链长的增加，扩散路径的阻力增大。其次，在B孔内部也存在着烷烃分子“跳跃”于孔内各个出口区域之间而形成的孔内扩散路径；4、通过

4、质心分布图研究烷烃在次孔道AP中的扩散，发现烷烃在次孔道中存在着A≠P型的孔间扩散路径，这个路径的阻力主要来自Pocket，并随着烷烃链长的增加逐渐增大，到C4的时候Pocket被严重堵塞，导致这个扩散路径被基本阻断；5、通过分子轨迹图验证并进一步分析扩散机理，得出随着烷烃链长的增加，由于A≠P型扩散路径的阻力增加较快，导致A≠B型扩散路径的比重逐渐增大，A{P型扩散路径的比重逐渐减小。6、综合分析上述的结果，得出烷烃自扩散系数所呈现出的先急剧降低，然后趋于平缓的变化趋势主要是由于A≠B和A≠P两种路径的阻力增加快慢的不同，以及所占

5、比重的不同所造成的。这可以使我们了解到，宏观上不同烷烃在Cu．BTC中表现出不同或近似的扩散速率，在微观上是由于不同烷烃遇到不同的扩散路径阻力并偏好不同的扩散路径所造成的。关键词：金属一有机骨架材料，Cu．BTC，烷烃，扩散，分子模拟摘要MoLECULARSIMULATIONSTUDYOFDIFFUSIONOFN．ALKANESINCU．BTCMETAL．ORGANICFRAMEWORKABSTRACTMetal-OrganicFrameworks(MOFs)，whichhaveextremelyhighsurfacearea,po

6、rosities，thermalstability,andstructurediversity,alepromisingnewnanoporousmaterialswithpotentialapplicationsingasstorage，separation，andcatalysis，etc．Cu—BTC，havingsimilarthree--dimensionalporestructurewithtypicalMOFofMOF··5andwithuniquepocketstructure，isawellknownreprese

7、ntativeofMOFs．Alkanesarerawmaterialsofchemicalindustry．Therefore，itisimportanttostudyalkanes’diffusionpropertiesinCu-BTCmaterial．Inthispaper,molecularsimulationwasusedtostudythediffusionpropertiesofn-alkanesC1--C4inCu-BTC．Themaincontentsandfindingsaresummarizedasfollow

8、s．1．ThecellofCu—BTCWasdividedintothreeregions：A—Cell，B—CellandPocket(denotedasP)．TheA-andB—Cellwereconnectedtoformthe