[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

摘要

本发明公开了一种定量分析金属卟啉MOFs材料CO2/CH4分离效率的方法。本发明方法是基于量子化学密度泛函理论计算和蒙特卡洛分子模拟来定量分析金属卟啉MOFs材料CO2/CH4的分离效率。通过确定探针分子与不同金属卟啉配体的相互作用能，吸附热，定量分析CO2与金属卟啉MOFs材料间的相互作用情况，最后通过CO2/CH4吸附选择性的计算表征不同金属卟啉MOFs材料的CO2/CH4分离效率和特性。该方法包括团簇模型构建、稳定构型的结构优化和部分电荷的计算、CO2/CH4分离系数的计算、吸附能和吸附热的计算及CO2/CH4分离效率的分析与表征步骤。本发明无须任何实际实验即可对金属卟啉MOFs材料的CO2/CH4分离效率进行定量表征。本发明还可以扩展到其他已知晶体结构的多孔分子筛、MOFs材料的CO2/CH4分离效率的分析。

主权项

一种定量分析金属卟啉MOFs材料CO2/CH4分离效率的方法，其特征包括如下步骤：(1)团簇模型构建根据已有的金属卟啉MOFs材料PCN‑224晶体结构数据，将其导入MS5.0软件中并截取能够反应其全部化学环境和性质的最小结构单元；由于体系较大，模型采用金属中心Zr6基团和金属卟啉配体两种团簇模型，对Zr6基团采取质子饱和处理，对金属卟啉配体采取苯饱和处理来尽量保持原子周围环境的不变性，以保证计算的准确；(2)稳定构型的结构优化和部分电荷的计算涉及到的金属卟啉MOFs材料包括PCN‑224，PCN‑224‑Ni，以及金属卟啉配体改性后的PCN‑224‑Fe，PCN‑224‑Co，PCN‑224‑Mg，PCN‑224‑Mn，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，通过团簇模型计算得到的ESP电荷作为插入参数导入周期性晶体构型中，用于气体吸附分离的计算；(3)CO2/CH4分离系数的计算采用MUSIC软件，对优化后的周期性晶体构型进行CO2、CH4的单组份和混合组分的巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟，设置温度为298K以模拟常温下的气体分离情况，计算得到CO2和CH4的单组份和混合组分的等温吸附线，通过计算和分析PCN‑224‑x，x＝Ni，Fe，Co，Mn，Mg，Zr材料对CO2/CH4的选择性，得到材料的CO2/CH4的分离效率；(4)吸附能和吸附热的计算从稳定的PCN‑224‑x，x＝Ni，Fe，Co，Mn，Mg，Zr的金属卟啉配体的团簇模型和CO2探针分子的稳定吸附构型出发，在与部分电荷计算相同的理论水平上进行吸附能的计算，计算的CO2吸附后整个体系能量与PCN‑224‑x，x＝Ni，Fe，Co，Mn，Mg，Zr的金属卟啉配体团簇模型和CO2探针分子能量的差值，即为CO2探针分子在该模型下的吸附能；通过模拟的CO2单组份吸附等温线，由Clausius‑Clapeyron方程计算得到吸附热Qst；(5)CO2/CH4分离效率的分析与表征CO2/CH4的分离效率可用金属卟啉MOFs材料对CO2/CH4的吸附选择性来表征，CO2/CH4的吸附选择性高，说明材料在实际应用中的CO2/CH4的分离效率高，CO2/CH4的吸附选择低，说明其CO2/CH4的分离效率低；同时，根据模拟实验中的吸附能和吸附热的大小来判断不同金属卟啉MOFs材料对CO2作用力的强弱，金属卟啉配体对CO2的吸附能和吸附热高说明它与CO2分子的相互作用能力强，即对CO2分子有较强的吸附能力从而具有高的CO2/CH4分离效率。