金属-有机骨架材料稳定性的理论研究

There is bigger difference in the chemical environment in pores of MOFs than that in some classic nanoporous zeolites as MOFs is composed of various inorganic units and organic linkers. Therefore, it has a wide application future in gas separation and catalytic chemistry. However, MOFs are unstable and easy to collapse with guest molecules (such as H2O or SO2) or at high temperature. The objective of this project is to find out the relationship between the stability and structure of MOFs with the help of computational chemistry. The main contents and findings are summarized as follows. (1) Mechanism of MOFs disruption. (2) The effect of guest molecular to MOFs structure. (3) Conditions of disruption caused by guest molecules. (4) Research of modification in MOFs. (5) Improvement of stability of MOFs with modification. The stability of MOFs is a leading and applicable topic. Firstly, it is an advanced and creative practice as we start from studying the micro-structure of MOFs in the method of computational chemistry, quantum mechanics as well as molecular mechanics. Moreover, this project will help to promote the application of MOFs after presenting the relationship between the stability and structure of MOFs.

金属-有机骨架材料（MOFs）系一种较新的多孔材料。其结构单元由有机配体和无机单元组合而成，且种类繁多，所以较经典多孔材料沸石而言，孔道内微观化学环境差异很大，这使得MOFs在气体分离及催化领域具有广阔应用前景。但在应用过程中一些MOFs并不稳定，在诸如高温、水分子、二氧化硫存在等条件下容易结构塌陷。本项目采用计算化学方法，研究MOFs的稳定性与材料结构间的规律。主要内容有：（1）分析现有材料塌陷机理；（2）客体小分子存在对材料结构影响；（3）客体小分子诱发材料塌陷的条件研究；（4）材料结构修饰研究；（5）提高材料稳定性的修饰方法研究。本项目选择MOFs的稳定性为研究对象，在选题上具有前沿性和实用性；采用计算化学方法从微观结构入手进行研究，在研究手段上具有先进性；同时利用量子力学和分子力学的研究，在研究方法上具有新颖性。本项目将揭示MOFs稳定性与其结构和性能间关系的规律，具有实际价值。

金属-有机骨架材料（MOFs）系一种较新的多孔材料。其结构单元由有机配体和无机单元组合而成，且种类繁多，所以较经典多孔材料沸石而言，孔道内微观化学环境差异很大，这使得 MOFs 在气体分离及催化领域具有广阔应用前景。但在应用过程中一些 MOFs 并不稳定，在诸如高温、水分子存在等条件下容易结构塌陷。本项目采用计算化学方法，研究 MOFs 的稳定性与材料结构间的规律。主要内容有：（1）分析现有材料塌陷机理；（2）客体小分子存在对材料结构影响；（3）材料热稳定性研究；（4）提高材料稳定性的修饰方法研究。在研究过程中我们发现有机-无机连接位置是化学键能最低的位置，在加热过程中这部分是最先由于振动变形而断裂的位置。另一方面，在水分子进攻过程中这一部分也是最先与水加成反应导致材料塌陷的部分，但需要注意的是，某些结构的金属簇可以提供很明显的空间位阻，使水分子很难进攻，从而提高水热稳定性。