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氢气在MOF-5中的吸附等温线
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结果与讨论
• 我们分别对77-298 K范围内的12个温度点，及0-8MPa 的压力下，氢气在MOF-5中的吸附等温线进行了模拟研究 ，其结果如上图所示。由图中可以看出，在恒定温度下， 氢气的吸附量随着压力的增加而增加，在低压时吸附量增 加较快，说明吸附速度较快;随着压力升高，吸附量增加 的速度减缓，当压力达到6MPa时，吸附量增加已比较平 缓。同时，77 K吸附量最大，从77 K到133 K，同一压力 下吸附量增加速度放缓，吸附速度下降较明显，温度继续 升高，吸附速度渐趋于零，温度升至193 K以上，变化已 经微乎其微，吸附速度只在0-30MG/G下变化。由此可以 看出，氢气的吸附量随着压力的增大而增大，随温度的升 高而减小，而吸附速度随压力的升高而减缓，随着温度升 高而减慢。
响
因
素
多孔性
大比表面积
特 点
结构的多样性
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绪论
MOFs
展 望
吸氢量少
中 的
常温储氢量少
难 题
储氢机理
催化剂
应 用
气体储存
气体分离
2 MOFs理论计算
软件介绍
Ms是专门为材料科学领域研究者开发 的一款可运行在PC上的模拟软件。使 化学及材料科学的研究者们能更方便 地建立三维结构模型，并对各种晶体、 高分子材料的性质及相关过程进行深
Metal-organic frameworks
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MOFs国内外发展状况
• 目前，国外开展MOFs材料研究的机构主要 有美国密歇根大学Yaghi研究小组。该小组 致力于MOF-5的研究，自1995年以来合成 了MOF-5，并对其进行了大量的理论和实 验研究。
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储
氢
孔径大小孔隙率
性
能
比表面积
的
影
等量吸附热
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温度的影响

结果与讨论
• 4结论 • 通过用巨正则系综蒙特卡罗(GCMG)方法模拟MOF-5材料
在低温宽温区(77 K-300K)范围的吸附等温线，并结合吸 附位点得到以下结果: • (1)氢气的吸附量随着压力的增大而增大，低压时增加趋势 较大，高压段，随着压力的增加，增大趋势趋于平缓。 • l2)氢气的吸附量随着温度的降低而增大，温度越低，吸附 量随压力升高而增加的趋势越明显。 • (3)低温下，氢气与MOF-5的相互作用力是吸附的主要原 因，随着温度升高，分子间相互作用力减小，体积k成为 主要原因。
金属有机骨架(MOFs)材料的理 论研究
答辩学生 李万国 学号 09510121 指导老师 李维学（教授）
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金属有机骨架(MOFs)材 料的理论研究
绪论
MOFs的理论研究 MOFs储氢性能研究
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1 绪论
MOFs的组成
金属有机骨架（MOFs）是由含氧、氮等的 多齿有机配体（大多是芳香多酸和多碱） 与过渡金属离子自组装而成的配位聚合物
入研究。Ms软件其中采用的模块有 Discover，COMPASS，Cell等。
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MOFs的理论计算
计算化学方法
量子 力学
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分子 力学
MOFs的理论计算
定义势函数形 式
定义原子类型 定义参数化流 程 确定训练基
拟合参数
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MOFs材料储氢性能的研究
• 储氢的意义 • 不可再生的化石能源现在已经成为当今社会比
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结果与讨论
• 3.3. 3吸附位点 • 为了进一步研究MOF-5材料中的吸附行为，通过统计100
万步氢吸附的蒙特卡罗数据，得到氢分子相对密度图5。 而图5(a),5(b),5(c)显示，在0. 1 MPa下，氢分子集中吸附 在金属团簇周围，随着压力的逐渐升高，在4MPa时，金 属团簇周围接近饱和，氢分子另一重要吸附位点在具有较 大接触面积和结合能的有机连接体，而压力达到8 MPa时 ，金属团簇及有机连接部分仍然是吸附氢气相对密度最大 的部分，同时孔道中间气相部位气体密度有所提高，但相 对比例较小，而在298 K时，孔道中间气相部分氢分子出 现的相对密度比77 K条件下大得多，氢分子的分布比较广 泛。从图5(c) ,5（d）,5(f)可看出，在133 K下，氢分子主 要集中在金属团簇以及有机连接体BCD周围，在77K下， 吸附量较大，这种现象尤为明显。
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MOFs材料储氢性能的研究
• 影响MOFs材料储氢性能的主要因素
• ①孔径大小和孔隙率 • ②比表面积 • ③等量吸附热 • ④有机配体 • ⑤金属离子
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金属有机骨架材料MOF-5宽温区储氢性能模 拟研究
• 1力场模型 • 建立力场模型是分子模拟中非常重要的部分。在本研究中
，氢气采用的是Buch模型，对于MOF-5骨架结构采用的 是全原子模型，在模拟计算中MOFs骨架结构被认为是刚 性的，氢气与MOF-5原子之间的相互作用采用LorentzBerthelot棍合法则。 • 2模拟方法 • 巨正则系综蒙特卡罗方法(GCMG)在模拟过程中保证系统 本身的化学位μ、体积V和温度T不变，而体系内的粒子数 是可变的，可以直接模拟计算各种分子在特定体系内的平 衡吸附量。分子模拟得出结果是模拟系统内的气体分子总 数，它对应的是MOF-5的绝对吸氢能力。
较敏感的一个话题，虽然它对地球环境有的污染 极大，但人类目前却无法摆脱，所以现在急需要 一种可再生无污染的能源来拯救世界。而氢能源 的出现正好就解决了这一难题，但怎样去经济的 储氢就显得很重要。现在储氢的方法主要有：高 压储氢、液化储氢、氢气水合物储氢、有机液体 储氢和吸附储氢。而近年来，新崛起的金属有机 骨架配合物是用于吸附储氢的一种新型材料。