金属—有机骨架中气体分离的分子模拟研究及Cu-BTC的实验合成与其催化性能的研究

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金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks, MOFs)是一类具有较大比表面积和孔隙率且结构组成多样的新型多孔材料,在储气、分离、催化等各个领域都有着潜在的发展前景。由于MOF材料种类繁多、组成多样,传统实验的方法无法对其进行系统的研究,所以分子模拟方法成为了研究MOF材料的重要手段之一。本文应用分子模拟的方法对MOF材料在天然气净化中的应用做了研究,并应用水(溶剂)热合成法合成了Cu-BTC,通过热重分析、X射线粉末衍射和N2吸附等分析方法对其进行了表征,进而考察了其催化性能。主要研究内容如下:1、针对天然气净化过程中甲烷和氮气的分离问题,采用GCMC方法,在298 K,压力在0-3.0 MPa范围内,模拟计算了32种MOF材料对甲烷和氮气摩尔比为9:1的体系的分离选择性。结果表明,材料孔径是影响甲烷对氮气的分离选择性的主要因素,孔径越小,分离选择性越大。除此之外,材料的化学组成、比表面积、自由体积、孔隙率等也对分离选择性有一定的影响。2、采用水(溶剂)热法合成了MOF材料Cu-BTC,并对其进行了一系列的表征。结果表明本实验所合成的Cu-BTC较为成功,可以用来进行后续的研究。3、应用苯甲醇氧化反应、α-蒎烯的异构化反应、环己烯和苯乙烯的氧化反应、碳酸甲乙酯的合成反应、苯甲醚的苄基化反应以及醇、醛的MPVO反应考察了Cu-BTC的催化性能,结果表明Cu-BTC只在苯甲醇氧化反应中表现出了催化活性。最后,具体考察了反应温度、反应时间等对其在苯甲醇氧化反应的催化性能的影响。
摘要第4-6页
ABSTRACT第6-7页
第一章 绪论第15-31页
    1.1 引言第15页
    1.2 金属-有机骨架材料(MOFs)简介第15-21页
        1.2.1 含有芳香羧酸配体的MOF材料第17-20页
        1.2.2 含氮杂环配体的MOF材料第20-21页
        1.2.3 含其它类型配体的MOF材料第21页
    1.3 金属-有机骨架材料(MOFs)的设计方法第21-24页
        1.3.1 刚性多孔骨架的设计方法第21-22页
        1.3.2 柔性多孔骨架的设计方法第22-23页
        1.3.3 在MOF材料中引入金属活性位点的方法第23-24页
    1.4 金属-有机骨架材料(MOFs)的合成方法第24-26页
        1.4.1 水(溶剂)热合成法第24-25页
        1.4.2 在溶液中自组装第25页
        1.4.3 无溶剂合成法第25-26页
    1.5 分子模拟技术应用于MOF材料的研究第26-28页
        1.5.1 正则系综蒙特卡罗方法第26-27页
        1.5.2 巨正则系综蒙特卡罗方法第27-28页
    1.6 分子模拟方法在MOFs中的应用第28-29页
    1.7 本课题的选题意义和研究内容第29-31页
        1.7.1 选题意义第29-30页
        1.7.2 研究内容第30-31页
第二章 金属—有机骨架材料中甲烷/氮气分离的分子模拟研究第31-43页
    2.1 引言第31-32页
    2.2 模型与计算方法第32-37页
        2.2.1 MOF材料结构第32-34页
        2.2.2 势能模型与立场参数第34-37页
        2.2.3 GCMC模拟细节第37页
    2.3 结果与讨论第37-41页
        2.3.1 甲烷/氮气分离选择性的计算第37-38页
        2.3.2 较低压力下影响CH_4/N_2分离选择性的主要因素第38-40页
        2.3.3 较高压力下影响CH_4/N_2分离选择性的主要因素第40-41页
    2.4 本章小结第41-43页
第三章 金属-有机骨架材料(Cu-BTC)的实验合成第43-53页
    3.1 引言第43-44页
    3.2 实验试剂和仪器设备第44-45页
    3.3 主要设备和仪器第45-46页
    3.4 实验所用的表征方法第46-48页
        3.4.1 X射线粉末衍射法(XRD)第46-47页
        3.4.2 热重-差热分析(TG/DSC)第47页
        3.4.3 N_2吸附-脱附第47-48页
    3.5 实验方法第48页
    3.6 样品表征第48-52页
        3.6.1 SEM分析和XRD分析第48-50页
        3.6.2 TG/DSC分析第50页
        3.6.3 BET分析第50-52页
    3.7 本章小结第52-53页
第四章 金属-有机骨架材料(Cu-BTC)的催化性能研究第53-67页
    4.1 引言第53页
    4.2 Cu-BTC的活化处理第53-55页
    4.3 Cu-BTC催化反应实验第55-56页
        4.3.1 苯甲醇的氧化反应第55页
        4.3.2 α-蒎烯的异构化反应第55页
        4.3.3 环己烯、苯乙烯的氧化反应第55页
        4.3.4 碳酸甲乙酯的制备反应第55-56页
        4.3.5 苯甲醚的苄基化反应第56页
        4.3.6 醛、酮、醇的MPVO反应第56页
    4.4 反应产物的检测第56页
    4.5 反应结果与讨论第56-65页
        4.5.1 苯甲醇的氧化反应第56-63页
        4.5.2 其它所选反应的测试第63-65页
    4.6 小结第65-67页
第五章 结论第67-69页
参考文献第69-75页
致谢第75-77页
作者简介第77-79页
导师简介第79-80页
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