面向生物甲烷分离的不同金属配位金属-有机骨架材料的分子设计

采用巨正则Monte Carlo法(GCMC),对CH4/CO2混合气体体系基于金属-有机骨架材料(MOFs)的吸附分离进行了模拟研究。吸附分离材料涉及3个系列(M-MOF-74、M-MIL-53和[M(atz)(bdc)0.5])(M=Mg,Co,Ni,Zn,Al,Cr)不同金属配位的8种MOF材料。研究表明,Mg-MOF-74的CO2吸附性能在高压下优于其他材料;在低压时,拥有大量氨基官能团的[Zn(atz)(bdc)0.5]和[Co(atz)(bdc)0.5]材料有更高效的CO2分离性能。通过径向分布函数和CO2吸附构型快照重叠图进一步分析发现,各个系列材料不同金属配位对CO2吸附构型的影响造成了材料吸附分离性能有较大的不同。研究结果能够为实验上设计和开发新型高效CO2和CH4吸附分离MOFs材料提供启发。     

金属-有机骨架材料CO2捕获性能的大规模计算筛选

全球性温室效应形势的日趋严重，迫切需要研究和开发可用于CO₂捕集的高性能材料。对于含有双铜船桨型片段(Cu₂(COO)₄)的MOF材料，因其结构中含有配位不饱和的Cu金属位点，在低压区域的CO₂捕获方面展现出优异的性能。目前，大规模计算筛选工作主要是基于传统的分子力场，无法对此类Cu-MOFs中主客体分子间的相互作用进行准确描述。基于量化计算获得的精确分子力场，利用Monte Carlo分子模拟方法考察了常温常压条件下763个基于Cu-OMS的MOF材料对CO₂存储和CO₂/N₂的分离行为。不仅筛选出潜在的高性能材料，而且揭示出了材料的结构与其性能之间的关系和具有优良性能的材料结构特征，可为面向特定应用的新材料设计和合成提供理论参考。     

金属-有机骨架材料用于水中痕量药物污染物的吸附脱除

由于其结构复杂、多态性和多个电离位点等特点,水中的药物污染物很难达到完全脱除。因此,寻找一种高效的吸附剂,对降低此类污染物对人体和环境的影响是至关重要的。金属-有机骨架材料（metal-organic frameworks,MOFs）具有超高比表面积/孔隙率、高度化学/结构可调性以及可设计性等优点,在液相吸附分离中表现出优异的性能。本文简述了近年来MOFs材料、功能化MOFs材料以及MOFs衍生碳材料用于水中痕量抗生素和其他类药物污染物脱除的研究进展。针对特定的药物分子,通过引入特定的官能团及其他物质（如多壁碳纳米管、磁性Fe₃O₄等）可以有效提高吸附能力。此外,通过分析MOFs与药物分子之间的相互作用力,包括静电作用、氢键、π-π相互作用等,并结合本文作者课题组的研究内容,认为今后的研究重点是利用先进的理论计算方法定向筛选或设计高效吸附材料,并充分考虑动力学吸附,以实现水中痕量药物污染物的高效脱除。     

金属-有机骨架材料吸附脱硫的研究进展

金属-有机骨架材料(MOFs)是一种新型多孔材料,近年来在吸附脱硫中的应用使其在清洁汽油生产中成为最有潜力的材料。综述MOFs吸附脱硫的研究进展及主要机理,并对MOFs的发展前景和方向进行展望。     

金属-有机骨架材料的合成及其研究进展

介绍了金属-有机骨架材料(MOFs)的结构特点和合成方法,论述了金属-有机骨架材料在国内外的研究进展,介绍了其在气体存储,尤其是储氢方面的研究现状.     

甲苯分子在铝基金属-有机骨架材料上的吸附特性

应用巨正则系综蒙特卡罗模拟（GCMC）方法研究了298K下甲苯在4种铝基金属-有机骨架材料（Al-MOF）上的吸附特征。通过对比模拟与实验结果,发现Dreiding力场能够较好地描述甲苯在Al-MOF上的吸附行为。由于4种Al-MOF材料均具有丰富的微孔结构,使得其甲苯吸附量（取1.5kPa时吸附量值比较）均高于传统吸附剂的吸附量（一般小于400mg/g）,分别为1375mg/g （MIL-101）、866mg/g（CYCU-3）、807mg/g（MOF-519）、504mg/g（CAU-3-BDC）。通过Snapshot图和密度分布曲线分析了甲苯在Al-MOF中的吸附位,结果表明,在低压（低负载量）时,甲苯优先吸附在骨架中的小孔道内,随压力（负载量）的增大,甲苯分子逐渐填充到大孔道。此外,甲苯与有机配体的相互作用强于与金属簇的相互作用,说明有机配体处为优先吸附位。将298K、1.5kPa条件下甲苯吸附量与MOF的物理性质相关联,结果发现甲苯吸附量的大小与吸附剂的比表面积、孔容积成线性正相关,而与骨架密度成反比关系。     

金属-有机骨架材料在气体膜分离中的研究进展

金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks,MOF)由于具有高比表面积、大孔隙率、功能性孔道结构以及种类多样性等特征,在储气、分离、催化、载药和光学等领域受到重视。其中,制备纯MOF膜或基于MOF的混合基质膜(mixed matrix membranes,MMMs)并用于气体分离,被认为具有潜在的应用前景。目前为止,实验合成的MOF材料种类已有两万种,为了快速筛选出合适的MOF材料作为膜材料,计算化学的方法可以极大地缩减MOF膜的研究周期,并有助于指导实验合成高效膜分离材料。本文分别从计算和实验两方面介绍了MOF膜在气体分离中的研究进展,分析表明,MOF膜的研究总体上向功能性更强、稳定性更高的方向发展,但是利用计算方法建立MOF膜的构效关系还存在一定的难度。因此,建立MOF膜的结构与性能表征的新概念、新方法,并利用MOF膜的结构-性能关系指导实验合成高稳定性、低成本的膜材料将是未来MOF膜的发展方向。     

柱撑型金属-有机骨架材料(PL-MOFs)在气态轻烃分离中的研究进展

综述了PL-MOFs的构建方法,总结了近年来PL-MOFs在烷烃、烯烃/烷烃、烯烃/炔烃、炔烃/烷烃等轻烃分离中的研究进展,并对其未来发展进行了展望,以期为构筑柱撑型金属有机骨架材料提供借鉴。     

金属-有机骨架材料制备及其吸附净化挥发性有机物应用

吸附技术是控制净化挥发性有机化合物(Volatile Organic Compounds,VOCs)常用且有效的方法之一,其核心和关键是具有高比表面积和孔容的高效吸附材料。金属-有机骨架材料(Metal-Organic Frameworks,MOFs)是一类具有超高比表面积和孔容的新型高效吸附材料,在VOCs吸附净化领域具有广阔的应用前景。概述了MOFs材料的发展历程,重点介绍了MOFs材料合成制备方法及其对VOCs的吸附研究进展,讨论了相关研究工作尚存在的科学技术问题并展望了未来研究方向。     

具有裸露金属中心的多孔金属-有机骨架储氢材料

作为绿色能源,氢能受到了广泛关注,而先进的储氢方法则是实现氢能规模应用的关键之一。介绍了多孔金属-有机骨架（MOFs）储氢材料的研究现状、存在的问题、引入裸露金属中心的方法、裸露金属中心元素类型及配位环境对储氢性能的影响。     

Multilevel screening of computation-ready,experimental metal-organic frameworks for natural gas purification

In this study, traditional Monte Carlo simulation and density functional theory-based structural optimization methods were combined to screen computation-ready experimental metal-organic framework (MOF) database for the application of natural gas purification. Our results show that about half of the good performing computation-ready experimental MOF structures displayed various degrees of deformation (even collapse) after the structure optimization. This phenomenon attributed to the strong attraction of unsaturated metals which attract nearby organic components. For some materials with deformation, unsaturated metals form new bonds with the adjacent organic linkers creating distortions that would be unrealistic in the experimental materials. For the remaining relatively stable materials whose structural characteristics did not change too much, we further studied the adsorption performance of their optimized structures. Finally, 12 good-performing MOF materials with high stability were found which could greatly improve the possibility for constructing robust MOFs that could hold open metal sites by experiments.     

柔性金属有机骨架材料(MOFs)用于气体吸附分离

柔性金属有机骨架材料(MOFs)具有高度有序的网络结构与可变形的骨架,其骨架结构会对外界的温度、压力及客体分子的刺激产生独特的结构响应。近几年来,柔性MOFs在气体吸附、气体分离、传感等领域显示出巨大的应用潜力。截至目前,研究者们对柔性MOFs的研究仅局限于对其结构形变的机理解释,而缺乏对柔性MOFs应用于相关化工过程的性能研究。本文着重对近年来柔性MOFs在气体吸附分离领域的研究进展进行了综述,并详细地分析了柔性MOFs结构与其气体吸附分离性能之间的构效关系。通过分子模拟结合实验,讨论了柔性MOFs结构对气体分子的平衡吸附与动力学扩散的影响。分析表明,设计合成具有良好吸附选择性与扩散性能的柔性MOFs是其应用于绿色、高效气体分离过程的重要发展方向。     

金属有机骨架材料（MOFs）用于气态轻烃的高效分离研究进展

气态轻烃（C₁～C₃）如甲烷、乙烯、丙烯分别作为应用最广的清洁燃料和大宗化工产品,在国民经济中占据重要的地位。然而,在其生产过程中广泛存在着分离与提纯能耗较高的问题。金属有机骨架材料（MOFs）作为第三代新型多孔材料,近年来在轻烃分离领域显示出巨大的应用潜力。本文综述了MOFs用于气态轻烃分离的现状和机理,总结了本文作者课题组针对不同轻烃产物的分离要求,对MOFs进行了精确的孔径调控、配体功能化修饰、构筑吸附位点、调变柔性结构“开口压力”等,实现了多种气态轻烃组分的高效分离。最后,针对低碳烃工业分离过程中存在的关键问题,对MOFs材料的吸附分离机理进行了深入分析,以及MOFs工业化应用所面临的结构稳定性与分离工艺匹配等进行了展望。     

金属有机框架材料分离低碳烃的研究进展

烯烃、烷烃和炔烃等结构相似物的高效分离是石油化学工业可持续发展的关键过程之一。低碳烃化合物结构和性质相近,仅在碳数和不饱和度存在微小差异,传统低温精馏过程选择性低、能耗高。金属有机框架材料/多孔配位聚合物（MOF/PCP）的结构多样性及可设计性使其可以精确识别相似物分子间的微小差异,在低碳烃分离领域取得重要进展。综述了金属有机框架材料在碳二/碳三的烯烃、炔烃和烷烃分离体系中取得的最新进展以及分离机理,探讨了金属有机框架材料在低碳烃吸附分离研究中存在的问题和发展方向。     

金属有机框架材料吸附分离水中铀的应用

金属有机框架材料（metal-organic frameworks,MOFs）具有极高的比表面积和孔隙率,结构可设计调控,但在水相吸附分离方面存在水稳定和选择吸附性较差、分离困难、合成与再生成本偏高等问题。针对MOFs的缺陷,可以通过有目的的功能化改性从而提升其对目标污染物的吸附性能。本文介绍了MOFs的结构优势,分析了水稳定性的影响因素和判断手段,简述了具有代表性的高水稳定性MOFs材料的特性;根据MOFs改性方法的分类回顾了MOFs及改性MOFs在去除水相中放射性铀的应用;基于不同分析技术探讨了MOFs与铀酰离子的吸附机理;提出推动MOFs在吸附铀方面规模化应用发展的核心是合成高稳定性MOFs,通过改性提高MOFs的选择吸附性能和再生性以及深入研究吸附机理。     

锆基金属有机骨架材料用于氨吸附性能的研究

近年来,金属有机骨架材料（MOF）在气体吸附和储存领域得到了迅速发展,但由于结构的不稳定性,其在强腐蚀性气体氨（NH₃）的吸附方面并不令人满意。考虑到NH₃是唯一的无碳排放的氢能源载体,开发高效的储氨技术来载氢是有效的降低二氧化碳排放的手段。利用MOF材料具有的高比表面积和结构多样的特性,在NH₃的吸附和储存方面具有广阔的应用前景。而NH₃具有孤对电子,会攻击金属与配体之间形成的配位键,使MOF材料的结构遭到破坏。锆基金属有机骨架材料是公认结构稳定性较好的MOF材料,但其是否能胜任干燥NH₃及含水条件下的稳定性仍未深入考察,由此需探究该系列材料在NH₃吸附领域的适用性。在此,通过实验和计算模拟研究锆基系列的金属有机骨架UiO-66、NU-1000、MOF-801和 MOF-808的结构特征、稳定性和NH₃吸附性能。结果表明,UiO-66、NU-1000和MOF-808在纯NH₃环境下的稳定性较好,并且显示出高吸附量且可循环的氨吸附性能（13.04、6.38、9.65 mmol/g）。受限于水和氨对结构的协同破坏作用,NU-1000和MOF-801的结构均不能维持,而UiO-66和MOF-808的结构非常稳定,无论在干燥NH₃环境及含水NH₃环境下均能胜任而应用于NH₃吸附和储存。     

官能化的金属有机框架在气体小分子分离中的应用

金属有机框架是由金属中心与有机配体自组装形成的一类结构可设计的新型多孔材料。吸附分离是金属有机框架的重要用途之一。本文介绍了以金属有机框架为多孔平台设计合成具有目标导向的官能化金属有机框架的途径以及官能化金属有机框架在二氧化碳与氮气、甲烷分离,烷烃与烯烃分离,低碳烷烃等小分子气体分离纯化中的作用。表明官能化的金属有机框架由于官能团活性位点的存在,在二氧化碳、烯烃、烷烃等气体小分子分离中相对未经修饰的金属有机框架具有更高的分离选择性。官能化的金属有机框架的目标导向使其在化工分离领域具有更广阔的应用前景。目前材料合成难以量产限制了官能化的金属有机框架在化工分离方面的普及,随着合成方法的不断简化官能化金属有机框架在化工分离中会有更广泛的应用。