[发明专利]一种定量分析金属卟啉MOFs材料CO2/CH4分离效率的方法

说明书

技术领域

本发明涉及金属卟啉MOFs材料CO₂/CH₄的分离，具体涉及一种定量分析金属卟啉MOFs 材料CO₂/CH₄分离效率的方法

背景技术

化石染料燃烧所产生的CO₂是温室气体的主要成分，也是影响全球气候变暖的主要因素，另外在天然气的存储和运输过程中难免会混有CO₂，这不但会降低天然气的热值而且还会腐蚀管道产生安全隐患，因此采取有效的手段进行CO₂/CH₄的分离是解决环境同经济矛盾的关键之一。目前分离脱除CO₂的方法主要有溶剂吸收法、吸附法、电化学法、物理吸收法、低温蒸馏、深冷、膜分离法、膜分离和其他分离技术相结合；近年来研发出的新的方法，如酶法、光生物合成法、催化剂法等。这些方法原理各不相同，大部分是采用了化学方法来达到脱除的效果，但它们普遍存在设备昂贵、操作复杂、能量消耗大、并且不可重复使用等问题。另外，如何从大量的材料中经济有效的筛选出高效CO₂/CH₄分离材料至关重要，目前通过实验手段合成大量的分子筛进行检测CO₂分离效果的方法，不但使新材料的制备具有盲目性，而且实验设备复杂，操作环境要求严格，实验经费昂贵。

分子模拟方法是伴随着计算机技术的发展而迅速兴起的一种与实验方法并列的新的材料性质研究方法，它具有很强的预见性和高效性。它可以从原子、分子层次来对材料的性质进行研究和模拟，特别是可以阐明材料性质的微观原理。大量的分子模拟计算研究实例已经表明利用分子模拟方法可以对新型多孔材料的小分子气体吸附和分离进行深入而系统地研究，并且可以预测材料的吸附分离性能，可以指导材料的设计、合成和应用。并且通过分子模拟的理论计算方法，只需进行计算机模拟无须进行实际的实验，投资小，效率高，计算结果准确，方便快捷，具有普遍的指导意义。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种定量分析金属卟啉MOFs材料 CO₂/CH₄分离效率的方法。该方法是基于量子力学和蒙特卡洛多尺度的计算模拟，来表征金属卟啉MOFs材料的CO₂/CH₄分离效率，并筛选出CO₂/CH₄分离效率高的金属卟啉MOFs材料，通过对单组份和混合组分CO₂、CH₄吸附等温线的计算，确定不同金属卟啉MOFs材料对CO₂/CH₄的吸附选择性，并根据吸附能和吸附热的计算，定量分析金属卟啉MOFs材料骨架和CO₂之间的相互作用情况，最终确定分离效果好的金属卟啉MOFs材料，并测定它们的 CO₂/CH₄的分离效率。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

一种定量分析金属卟啉MOFs材料CO₂/CH₄分离效率的方法，包括如下步骤：

(1)团簇模型构建

根据已有的金属卟啉MOFs材料PCN-224(即PCN-224-Zr)的晶体结构数据，将其导入MS5.0模块中截取能够反应其全部化学环境和性质的最小结构单元，分别对悬空键进行饱和，对卟啉金属中心进行改性，得到该类金属卟啉MOFs材料PCN-224-x(x＝Ni，Fe，Co，Mn， Mg，Zr)的稳定团簇模型。

(2)稳定构型的结构优化和部分电荷的计算

稳定构型计算涉及到金属卟啉MOFs材料周期性晶体构型的结构优化，金属卟啉MOFs 材料团簇模型的结构优化、探针分子CO₂的结构优化和探针分子CO₂在金属卟啉配体团簇模型上的稳定吸附构型。对于通过金属卟啉配体金属中心改性后的MOFs材料的周期性晶体构型，采用MS5.0软件中的Forcite模块进行结构和晶胞的优化。对探针分子CO₂、金属中心 Zr₆基团和金属卟啉配体团簇模型、CO₂在金属卟啉配体团簇模型上的稳定吸附构型的结构优化和部分电荷计算均采用量子化学密度泛函理论(DFT)的GGA PW91方法以及DNP基组。