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金属-有机骨架材料中气体吸附分离及材料改性设计的分子模拟研究
摘要：
金属-有机骨架材料（MOFs）因具有大孔径、高表面积、可调性等优点，已被广泛应用于气体吸附、存储和分离等领域。本文综述了MOFs的气体吸附分离性能研究进展，其中包括CO2、H2、CH4等气体在MOFs中的吸附量及选择性、骨架结构对气体吸附分离性能的影响、材料改性设计策略与分子模拟的应用等。结合实验研究和分子模拟，本文分析了MOFs的气体吸附分离机制，为MOFs的性能优化提供了一定的指导意义。
关键词：金属-有机骨架材料；气体吸附；气体分离；分子模拟；材料改性
1.引言
近年来，由金属离子或金属簇与有机配体通过配位反应构建的金属-有机骨架材料（MOFs）因其大孔径、高表面积、可调性等优点，受到了广泛的关注与研究。MOFs具有可调性极强的骨架结构，对于不同种类的气体被广泛应用于气体分离等领域。本文将综述MOFs在气体吸附分离方面的研究进展，并结合分子模拟方法探讨MOFs的材料改性设计策略。
2.MOFs的气体吸附特性
由于MOFs将多种金属离子或金属簇与有机配体通过配位反应构建而成，其具有可调性和可定向构建等优点，因此被广泛地用于气体吸附和分离领域。其中，CO2、H2、CH4等气体被广泛地研究和应用。
2.1.CO2的吸附选捡
CO2是一种重要的气体，其对环境的影响和能源中的应用都越来越受到人们的关注。通过实验，发现在MOFs中，不同的骨架结构对CO2的吸附选择性有很大影响。例如，ZIF-8、MIL-101和MIL-53等MOFs在CO2/N2体系中表现出很好的吸附选择性，而MIL-68和MOF-177等MOFs则表现出较差的选择性。而且，MOFs的孔径大小也会对CO2的吸附量和选择性产生重要影响。例如，MOFs-5、ZIF-8和MIL-101等MOFs，由于其具有大的孔径，可实现较高的CO2吸附量和选择性。
2.2.H2的吸附选捡
H2因其高能输出、低环境污染和源头可持续性等优点，被广泛地应用于能源生产与储存。由于H2分子较小，因此在普通的多孔材料中很容易泄漏，难以实现有效地存储。而MOFs因其透气性和可调性较强的结构，可实现对H2的有效存储和分离。通过实验，发现具有大孔径的MOFs，如MIL-101和ZIF-8等，可带来较高的H2吸附量和选择性。此外，还有些特定类别的MOFs（例如：IRMOF-1和IRMOF-12）能够实现分子筛分效应，也就是只允许小分子通过而排除大分子。这种特性使得IRMOF-1具有较高的H2/N2选择性。
2.3.CH4的吸附选捡
MOFs对于CH4的吸附分离也是一个重要的领域。在MOFs中，常见的CH4吸附的方式包括：孔道吸附和骨架表面吸附。实验研究表明，在一般情况下，孔径越大、表面积越高的MOFs，其对CH4的吸附量越大。例如，MIL-101(Cr)、HKUST-1、ZIF-8和MOF-177等MOFs在CH4/N2和CH4/CO2体系中均表现出较高的选择性。
3.MOFs的骨架结构与气体吸附性能
MOFs的骨架结构对其气体吸附特性具有很大的影响。一般而言，孔径越大、表面积越高的MOFs，其气体吸附量越大。但也有些骨架结构并不符合这一规律，需要通过分子模拟和实验研究来进一步确立其吸附性能规律。
3.1.孔道结构与气体吸附性能
MOFs的孔道结构是气体吸附性能的重要决定因素之一。在设计和合成MOFs时，变换孔道结构、孔径大小、孔道长度等因素可以实现MOFs气体吸附分离性能的可调性与优化。例如，通过在MOFs的孔道中加入螺旋结构的有机配体，可以有效地阻碍大分子的进入，提高分子筛分的效应。再如，在某些MOFs的孔道内部加入贵金属纳米粒子可以提高气体的稳定性和选择性。
3.2.表面结构与气体吸附性能
除孔道结构外，MOFs的表面结构对其气体吸附性能也有很大影响。例如，在MIL-101中，Cr3+离子与有机配体呈现出较弯曲的乙烯酰亚胺主链，形成股状结构，提供了更多的吸附位点，因此可以提高其对CO2的吸附量。同时，表面修饰也可以有效提高MOFs的吸附选择性。例如，通过在MOFs表面修饰具有吸附作用的官能团，如-NH2、-OH、-COOH等官能团，可以提高MOFs对于特定气体的吸附选择性。
4.MOFs的材料改性设计策略
通过对MOFs的骨架结构、孔径大小、表面性质等方面的调控和修饰，可以实现MOFs气体吸附分离性能的调控和优化。在此基础上，针对MOFs的材料改性设计策略也日益成熟。
4.1.加入功能化官能团
为了能够充分发挥MOFs的孔道结构和表面性质，加入特殊的功能化官能团，如-NH2、-OH、-COOH等官能团，不仅可以改善MOFs吸附分离特定气体的选择性，还能够提高其吸附量。
4.2.利用核壳结构的MOFs
核壳结构的MOFs具有多层结构