金属有机骨架材料对CO2的捕获机理和分子设计研究

Metal–organic frameworks (MOFs) are a new class of nanoporous materials and have shown great potentiality for CO2 capture. The key for CO2 capture using MOFs is understanding the CO2 capture mechanisms. However, the number of MOFs structures is essentially limitless and the CO2 capture properties are influenced by numerous factors, therefore, the current researches mainly focus on experimental observation and data accumulation, and lack the detailed study of microcosmic interacting mechanism. The project integrates the quantum chemistry calculation and molecular simulation into the combustion science in order to study the CO2 capture mechanism and properties using MOFs, and understand the nature of the interaction and microcosmic mechanism at the molecular level. The mechanism of CO2 adsorption, separation and diffusion in MOFs will be investigated. The effective way to enhance CO2 capture properties by chemical modifications will be presented. The influence mechanism of gas impurities in flue gas on CO2 capture performance will be uncovered. The high-throughput screening of MOFs will be performed to screen the MOFs with high CO2 capture performance. The theoretical modeling will be compared and verified with the experimental results. The comprehensive theoretical model for screening and predicting the CO2 capture performance will be built. The regeneration and adsorption/desorption cycle performance of CO2 capture in MOFs will be investigated. The project will be performed by multi-disciplinary studies of combustion science, quantum chemistry, molecular simulation and material science. The results will provide base for molecular design the new nanoporous materials that satisfy the requirements of post-combustion CO2 capture.

金属有机骨架材料(MOFs)是CO2捕获的新型纳米多孔材料，极具发展潜力。关键问题在于深入揭示其捕获机理。由于MOFs材料种类多样、影响CO2捕获效果的因素众多，现有研究受限于实验现象观测和数据积累，难以从微观层面深入研究其作用机理。本项目将量子化学和分子模拟交叉融入到燃烧学中，对CO2在MOFs材料中的捕获机理和性能进行系统深入的研究，从分子水平上剖析相互作用的本质和微观机理。揭示CO2在MOFs材料中的吸附、分离和扩散机理；提出改性增强其CO2捕获性能的有效方法；揭示烟气杂质对CO2捕获性能的影响机制；高通量筛选具有优异CO2捕获性能的MOFs材料；理论模拟与实验结果进行对比验证，构建涵盖多因素的筛选和预测MOFs材料对CO2捕获性能的模型；考察MOFs材料的再生和循环性能。通过燃烧学、量子化学、分子模拟、材料学等的交叉研究，分子设计满足燃烧后CO2捕获要求的新型纳米多孔材料。

金属有机骨架材料(MOFs)是CO2捕获的新型纳米多孔材料，具有种类多样性，结构可设计性以及可调控性等特点，极具发展潜力。关键问题在于深入揭示其捕获机理。由于MOFs材料种类多样、影响CO2捕获效果的因素众多，现有研究受限于实验现象观测和数据积累，难以从微观层面深入研究其作用机理。. 本项目针对当前CO2捕获的前沿领域，结合量子化学计算和分子模拟（包括GCMC模拟和分子动力学模拟）的方法，对CO2在MOFs材料中的捕获机理和性能进行系统深入的研究，从分子水平上剖析相互作用的本质和微观机理。开发了描述CO2与金属醇盐基团、CO2与过渡金属螯合配体、CO2与杂环原子有机链之间相互作用力的分子力场参数，通过量子化学拟合得到力场参数的吸附等温线与实验得到的吸附结果完全吻合，可以准确描述气体分子与MOFs材料之间的相互作用。阐明了MOFs材料结构与CO2捕获性能之间的构效关系，揭示了CO2在MOFs材料中的吸附、分离和扩散机理。提出了金属醇盐改性，过渡金属螯和和掺杂杂环原子作为增强材料CO2捕获性能的方法，揭示了改性有机链与CO2之间的相互作用机理，阐明了官能团对MOFs材料CO2吸附分离性能的影响规律；预测了改性方法对MOFs材料CO2捕获性能的影响。筛选和设计了具有高CO2捕获性能的MOFs材料；制备合成了具有优异CO2捕获性能的MOFs材料。分析了烟气杂质气体在MOFs中的吸附机理，揭示了烟气杂质气体对MOFs材料CO2捕获性能的竞争、协同影响机制，为MOFs材料在实际工况下的应用提供理论依据。理论模拟与实验结果进行对比验证，构建了筛选和预测MOFs材料对CO2捕获性能的模型。通过量子化学、分子模拟、材料学等的交叉研究，为MOFs材料在燃烧后CO2捕获领域的应用奠定基础。. 研究成果发表学术期刊论文18篇，其中SCI论文16篇，EI论文2篇，均为第一标注。ESI高被引1篇。授权发明专利1项。参加学术交流11次，其中国际学术会议5次。