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金属—有机骨架材料柔性力场开发及其动力学性质研究

赵雷  
【摘要】:金属—有机骨架材料(metal—organic frameworks, MOFs)是一种新型的纳米多孔材料,其在储气、催化和分离等领域有很大的潜在应用价值,MOFs已经成为当今在材料领域中的一个研究的前沿与热点。到目前为止,已经合成出来的MOF材料达到成千上万种,再加上此类材料的结构相当复杂多变。所以,如果单纯的采用实验的方法很难对其进行比较系统的研究。随着计算化学理论的发展,计算机模拟计算已经开始用于探索MOF材料的结构和性质。在计算结果指导下,进行材料的合成与筛选,可以节省大量的资源,促进MOF材料的实际应用。到目前为止,大多数工作都是局限在把MOF材料看做不运动的,来研究客体分子在其中的吸附和扩散行为。但是已有的实验和理论研究表明,某些MOF材料表现出明显的可变形性质,MOF材料自身的动力学特性的研究越来越受到国内外研究人员的关注,因此针对MOF材料开发可描述其柔性的力场,并且研究其动力学性质具有非常重要的意义。 本文针对MOF材料开发柔性骨架力场,并且研究其动力学性质,主要内容如下: 1、针对一种非常有代表性的MOF材料Cu-BTC,开发了其柔性力场,其参数来源主要是三个方面:其它力场,量化计算和根据实验数据拟合,通过与实验的晶体数据以及实验测得的热收缩性质、振动频率、体积模量相比较,证明我们的新力场可以很好的描述材料本身的结构以及运动情况。此外,通过计算CO2吸附等温线并且与实验值和传统的刚性力场结果相比较,证明我们的新力场不但可以很好的描述材料本身的运动性质,还可以描述材料与客体分子之间的作用力。 2、基于Cu-BTC的柔性力场,开发出PCN-6’以及MOF-HTB'的柔性力场,此力场能很好的描述晶体的结构性质,证明我们的Cu-BTC柔性力场可以很容易的推广到其它类似材料力场的开发中。首次通过模拟预测出PCN-6’和MOF-HTB'也是具有负热膨胀性质的MOF材料,并研究了其机理。通过计算得到膨胀系数分别为a=-9.2x10-6 K-1和a=-11.5x10-6K-1。比较三种材料的负热膨胀系数,得出MOF材料负的热膨胀系数的绝对值与有机配体的长度有关,配体越长,负的热膨胀系数的绝对值越大。另外,研究了加入CO2分子对Cu-BTC的负热膨胀系数产生的影响,由于C02的膨胀系数为正,两者发生中和,而改变了Cu-BTC膨胀系数。 3、通过设计材料,以及针对新材料开发柔性力场,利用分子动力学模拟,对材料的负热膨胀行为进行了系统研究,证明我们所开发的Cu-BTC柔性力场可以推广应用的新材料的性质预测。结果表明,通过改变配体的长度可以控制其膨胀系数,可以为正或为负,这就为以后设计目标膨胀系数的材料提供了理论基础。通过比较,本工作还得出一个结论,除了长度,有机配体的自身的性质也会影响材料的膨胀系数。 4、研究了Cu-BTC, PCN-6'和MOF-HTB'的体积模量和杨氏模量。通过分子动力学模拟,发现Cu-BTC, PCN-6'和MOF-HTB'在压力到达一定值的时候会发生形状改变,Cu-BTC的抗压能力要远远的大于后两种MOF材料。通过截取构型文件分析,得到发生突变的机理:主要是克服两种力发生变形,即二面角Cu-O-C(1)-C(2)和有机配体之间的范德华作用。当外部的压力足够大到能克服此能垒的情况下,材料的形状发生突变。通过对比三种材料的结构特点,得出Cu-BTC比另外两种材料硬的原因,主要是有机配体和金属簇的连接方式不同。 5、通过模拟预测出COF-102是具有负热膨胀性质的材料,其膨胀系数为-1.51x10-6K-1,比MOF材料的负热膨胀系数要小,比MOF材料的负热膨胀系数小的原因是由于其本身的结构造成的。通过动力学轨迹分析,发现COF-102的负的热膨胀行为是由于苯环的摆动引起的,与MOF材料的机理一致。从机理上可以得到结论,其它的三维COF材料也应该同样具有负热膨胀性质。


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