金属_有机骨架材料MOF_5的改进与吸附甲烷的巨正则蒙特.pdf

物理化学学报(WuliHuaxueXuebao)
AugustActaPhys.-Chim.Sin.,2008,24(8):1493-14971493

[Note]www.whxb.pku.edu.cn

金属-有机骨架材料MOF-5的改进与吸附甲烷的巨正则蒙特卡罗模拟

曾余瑶张秉坚*
(浙江大学化学系,杭州310027)

摘要:根据金属-有机骨架材料(MOFs)的设计思想,在MOF-5(对苯二甲酸为桥联配体,Zn4O金属簇为中心

的配位化合物)的基础上设计了10种以Zn4O金属簇为中心(Corner),以不同基团单取代的对苯二甲酸(BDC)
衍生物为桥联配体(Linker)的多孔材料.用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法,计算了这些材料在298K、1-10
MPa条件下对甲烷的吸附量,讨论了不同取代基与甲烷吸附量的关系.结果发现,在298K、3.5MPa时甲烷的吸
附量主要取决于吸附热,并且以硝基取代的配体构成的MOF分子吸附甲烷效果最好.在此基础上,进一步设计

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了以四硝基取代对苯二甲酸为桥联配体的MOF-4NO2,该结构在相同条件下对甲烷的超额吸附量为209cm·
cm-3,总吸附量达到228cm3·cm-3,比美国能源部(DOE)提出的甲烷吸附材料应用要求标准高26%.

关键词:甲烷;金属-有机骨架材料;吸附;巨正则蒙特卡罗
中图分类号:O641

DesignedMetal-OrganicFrameworksBasedonMOF-5andTheir
MethaneAdsorptionCalculationbyGrandCanonicalMonte
CarloMethod

ZENGYu-YaoZHANGBing-Jian*
(DepartmentofChemistry,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,P.R.China)

Abstract:10metal-organicframeworkmolecules(MOFs)weredesignedbasedontheideathatthecornersofthose

MOFsareconsistentwiththatofMOF-5(thecomplexwith1,4-benzenedicarboxylateaslinkerandZn4Oclusteras
corner)buttheirlinkerswerechangedintoderivativesof1,4-benzenedicarboxylate(BDC).Then,methaneadsorptionof
newMOFswascalculatedbygrandcanonicalMonteCarlo(GCMC)methodat298Kand1-10MPa,andtheadsorption
amountswerecorrelatedwithdifferentsubstituentgroups.Theresultsshowthattheisostericheatofadsorptionisthe

mostimportantfactorat298Kand3.5MPa,andtheadsorptionamountishighestwhenthelinkerofMOFsis—NO2.
Atlast,adesignedMOF,whichhas4nitrogroupsontheBDC,wasconstructedandthecorrespondingmethane
adsorptionamountwasalsocalculatedatthesameconditions.Thecalculatedamountofexcessadsorptionreaches209
cm3·cm-3andthecalculatedtotaladsorptionattains228cm3·cm-3,whichis26%higherthantheamountofDOE′s
requirementformethanestoragematerials.

KeyWords:Methane;Metal-organicframework;Adsorption;GCMC

随着石油能源的枯竭,甲烷代替传统石油产品等多孔性纳米材料能够有效地提高甲烷的储存量,
作为汽车燃料日益受到重视[1].目前甲烷主要储存在可是这些材料目前还未达到美国能源部(DOE)关
高压容器中使用,但是该方法存在着安全性差、成本于甲烷储存材料应用要求的吸附量(180cm3·cm-3)[5].
较高等问题.研究表明,纳米碳管[2]、沸石[3]以及石墨[4]因此,研究纳米材料吸附甲烷的吸附机理以及进一

Received:February26,