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摘要：金属有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是当前材料领域的一个研究前沿与热点。本文针对MOF材料中气体吸附的理论研究，从模型、力场参数、巨正则蒙特卡洛方法和量子化学计算等对模拟气体吸附的基本理论进行介绍。气体吸附的研究目前主要基于巨正则蒙特卡洛（Grand Canonical Monte Carlo, GCMC）方法。最后以氢气吸附为例子，对理论模拟结果与实验数据比较等进行简要说明。66427
毕业论文关键词：金属有机骨架，巨正则蒙特卡洛，分子模拟，力场，气体吸附
Abstract: Metal-organic framework materials (MOFs) gained great attention in the materials field. In this paper, we have introduced the basic theoretical study of gas adsorption in the MOFs materials. The basic theory of simulation contains the models, force field parameters, the grand canonical Monte Carlo methods and quantum chemical calculations. The common method to simulate the gas adsorption is the Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) theory. Finally, hydrogen adsorption is present as an example, to explain the theoretical simulation results and experimental data comparison.
Keywords: Metal-Organic Frameworks, grand canonical Monte Carlo, molecular simulation, force field, gas adsorption
目 录
1 前言 4
2理论方法介绍 4
2.1模型 4
2.2 力场参数 5
2.3 巨正则蒙特卡洛方法 6
2.4量子化学计算 6
3.储氢模拟 7
结 论 9
参考文献 10
致 谢 12
1 前言
金属有机骨架材料是一类具有大孔，由金属或金属氧化物为节点通过有机配体支撑链接的三维材料[1]。利用金属有机骨架材料吸附气体来达到气体的分离、识别和存储等目的，是当前研究的热点领域。金属有机骨架材料具有较大的内比表面积，因而使得这类材料具有较好的气体吸附特性。金属有机骨架材料之所以受到人们的关注，另一个特点是，它可通过常规方法合成并具有较高的可调性。可以利用金属节点和有机配体的不同组合方式来获得性能各异的材料，以达到吸附不气体的目的[2]。目前报道的最大比表面达到了6000 m2/g，具有巨大的应用潜力[3-4]。
气体分子一般通过物理吸附方式吸附于金属有机骨架材料表面，主要是原子间的色散、斥力和库仑作用实现。目前人们主要通过改变气体分子与金属有机骨架材料的作用来调整气体的吸附量，这也是人们目前研究的重点[5]。由于金属有机骨架材料上金属节点和有机配体的可调性，如通过引入不饱和的金属位点(这样金属就可以和气体分子存在较强的作用)或者变换不同的有机配体(引入不同的功能基团)来达到提高气体的吸附能力等[6]。
近年来，通过分子模拟方法先于实验展开分子设计和研究显得异常重要。通过模拟可以获得分子水平上的化学现象，这是实验所无法直接获得的信息[7]。并且理论模拟相比于实验付出的成本更低，更易于获得更多的信息，特别是大量对比不同结构，不同分子组分构成的金属有机骨架材料的性能特征时，分子模拟显得更容易和更有效。人们也更易于加速更新金属有机骨架材料的新性质和发现新现象。类似的方法也成功运用于相关的工作中。本论文，我们将回顾和讨论最近利用分子模拟的基本理论和计算方法[7]。