金属有机骨架(MOFs)材料的理论研究ppt课件
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MOFs简介PPT演示课件
药物靶向
MOFs可以作为药物靶向载体，将药物定向输送到病变 部位，提高药物的靶向性和治疗效果。
04
mofs的前景
研究现状
国内外研究团队不 断壮大
基础研究与实际应 用探索并重
多样化的MOFs材料 合成和性质研究
发展趋势
新型MOFs材料探索与合成 MOFs材料在能源、环境、催化等领域的应用拓展
多学科交叉融合，推动MOFs材料发展
未来挑战
MOFs材料稳定性和可重复性 需要进一步提高
MOFs材料在实际应用中的效 率和性能仍需优化
需要加强多学科合作和产学研 转化
05
mofs的制备方法和改性
制备方法
溶剂热法
使用高温高压的反应釜，以有机溶剂作为反应介质，加热至一定 温度，使金属离子与有机配体相互作用形成MOFs。
气相沉积法
将金属前驱体和有机前驱体分别蒸发，在低温下相互碰撞，形成 MOFs薄膜。
01
MOFs是由金属离子或金属团簇作为节点，与多齿配体配位形
成的。
配位环境
02
MOFs中金属中心周围的配位环境通常由有机配体构成，这些
配体与金属中心形成各种几何构型。
网络结构
03
MOFs的网络结构由连接金属节点和有机配体的各种化学键合
构成，形成多孔三维结构。
化学特性
化学多样性
MOFs具有很高的化学多样性，可以通过改变金 属中心和有机配体来调节其化学性质。
制备与改性实例
1
通过溶剂热法制备了Cu-BTC MOFs，具有良好 的孔道结构和稳定性。
2
通过气相沉积法制备了MOF-5薄膜，具有良好 的透光性和化学稳定性。
3
通过溶液法制备了UiO-66 MOFs，具有较高的 比表面积和孔容。
MOFs可以作为药物靶向载体，将药物定向输送到病变 部位，提高药物的靶向性和治疗效果。
04
mofs的前景
研究现状
国内外研究团队不 断壮大
基础研究与实际应 用探索并重
多样化的MOFs材料 合成和性质研究
发展趋势
新型MOFs材料探索与合成 MOFs材料在能源、环境、催化等领域的应用拓展
多学科交叉融合，推动MOFs材料发展
未来挑战
MOFs材料稳定性和可重复性 需要进一步提高
MOFs材料在实际应用中的效 率和性能仍需优化
需要加强多学科合作和产学研 转化
05
mofs的制备方法和改性
制备方法
溶剂热法
使用高温高压的反应釜，以有机溶剂作为反应介质，加热至一定 温度，使金属离子与有机配体相互作用形成MOFs。
气相沉积法
将金属前驱体和有机前驱体分别蒸发，在低温下相互碰撞，形成 MOFs薄膜。
01
MOFs是由金属离子或金属团簇作为节点，与多齿配体配位形
成的。
配位环境
02
MOFs中金属中心周围的配位环境通常由有机配体构成，这些
配体与金属中心形成各种几何构型。
网络结构
03
MOFs的网络结构由连接金属节点和有机配体的各种化学键合
构成，形成多孔三维结构。
化学特性
化学多样性
MOFs具有很高的化学多样性，可以通过改变金 属中心和有机配体来调节其化学性质。
制备与改性实例
1
通过溶剂热法制备了Cu-BTC MOFs，具有良好 的孔道结构和稳定性。
2
通过气相沉积法制备了MOF-5薄膜，具有良好 的透光性和化学稳定性。
3
通过溶液法制备了UiO-66 MOFs，具有较高的 比表面积和孔容。
金属有机骨架材料MOFs及其应用ppt课件.ppt
• we choose MIL-101 as the stationary phase and xylene isomers and ethy-lbenzene (EB) as the targets for separation.
Gu, Z. Y. Yan, X. P. Angewandte Chemie-International Edition 49, 1477-1480 (2010)
Hydrogen Storage in Microporous rganic Frameworks
Rosi, N. L. Eckert, J. Eddaoudi, M. O'Keeffe, M.Yaghi, O. M. science 300, 1027-1029 (2003)
MOF-5的储氢性能
实验流程图
吸附性能
富集效果
105ppb
2030ppb
Metal–Organic Framework MIL-101 for HighResolution Gas-Chromatographic Separation of
Xylene Isomers and Ethylbenzene
• We show the first fabrication of the MOFcoated capillary column for high-resolution GC separation.
78K
298K
Rowsell, J. L. C. Spencer, E. C. Eckert, J. Yaghi, O. M. science 309, 1350-1354 (2005)
Metal Organic Frameworks as Adsorbents for Trapping and Preconcentration of Organic Phosphonates
Gu, Z. Y. Yan, X. P. Angewandte Chemie-International Edition 49, 1477-1480 (2010)
Hydrogen Storage in Microporous rganic Frameworks
Rosi, N. L. Eckert, J. Eddaoudi, M. O'Keeffe, M.Yaghi, O. M. science 300, 1027-1029 (2003)
MOF-5的储氢性能
实验流程图
吸附性能
富集效果
105ppb
2030ppb
Metal–Organic Framework MIL-101 for HighResolution Gas-Chromatographic Separation of
Xylene Isomers and Ethylbenzene
• We show the first fabrication of the MOFcoated capillary column for high-resolution GC separation.
78K
298K
Rowsell, J. L. C. Spencer, E. C. Eckert, J. Yaghi, O. M. science 309, 1350-1354 (2005)
Metal Organic Frameworks as Adsorbents for Trapping and Preconcentration of Organic Phosphonates
金属有机骨架材料(MOFs)(课堂PPT)
9
Stability of metal–organic frameworks
ห้องสมุดไป่ตู้
1
Chemical stability
2
Thermal stability
3
Hydrothermal stability
4
Mechanical stability
10
1
Chemical stability
The greatest concerns for the improvement of MOF chemical stability have been largely related to liquid water and water vapour; accordingly, we focus on aqueous solutions. In most MOF structures, the chemical weak points are at the nodes — more specifically, the metal–linker bonds — with hydrolysis yielding a protonated linker and a hydroxide(or water) ligated node. Acidic solutions can accelerate the formation of the former, and basic solutions can accelerate the formation of the latter.
Framework catenation — more specifically, interpenetration or interweaving of networks — can enhance stability through favourable framework–framework interactions.
Stability of metal–organic frameworks
ห้องสมุดไป่ตู้
1
Chemical stability
2
Thermal stability
3
Hydrothermal stability
4
Mechanical stability
10
1
Chemical stability
The greatest concerns for the improvement of MOF chemical stability have been largely related to liquid water and water vapour; accordingly, we focus on aqueous solutions. In most MOF structures, the chemical weak points are at the nodes — more specifically, the metal–linker bonds — with hydrolysis yielding a protonated linker and a hydroxide(or water) ligated node. Acidic solutions can accelerate the formation of the former, and basic solutions can accelerate the formation of the latter.
Framework catenation — more specifically, interpenetration or interweaving of networks — can enhance stability through favourable framework–framework interactions.
MOF材料的研究进展PPT课件
生物甲烷过程由于兼具节能、减排、资源化三重战略意义，被誉为是“粪土变黄金， 化腐朽为神奇”的工程，近年来引起了社会的广泛关注。生物甲烷过程需要将生物 质发酵产生的沼气进行提纯，去除沼气中CO2 等气体，使甲烷浓度高于97%。如 何提高CO2 分离过程的效率，降低过程能耗，是目前研究领域的热点。作为21 世 纪最热门的材料之一，金属有机骨架材料（metal organic frameworks，MOFs） 被广泛认为是用于碳捕获和封存（CCS）过程最具前景的材料，近二十年来被广 为研究。
根据不同的核组成，将MOFs 为壳的核壳结构材料主要分为：单质金属/非金属@MOFs、 氧化物@MOFs和MOFs@MOFs。
Deng Y，Qi D，Deng C，et al. Journal of the American- Chemical Society，2007，130（1）：28-29. 11
-
15
CO2的吸附热
吸附热是指气体吸附过程所产
出的热量，它代表了气体分子
与吸附材料表面作用力。材料 的CO2吸附热越大，说明CO2 与 吸附材料的作用力越强，选择
性就越好，同时脱附时所需的
能量代价也越高。因此好的吸
附材料应该具有一个合适的吸
附热。因此，吸附热一般会随 着CO2覆盖率的增加而减少。
-
-
10
HAQUE E，JUN J W，JHUNG S H. Journal of Hazardous Materials，2011，185（1）：507-511.
金属有机骨架（MOFs）为壳的核壳结构材料研究进展
近年来，核壳材料的合成与应用研究成为材料领域的一大热点。从广义上说，核壳结构 材料是一种材料通过物理化学作用均匀地包覆在另一种材料表面形成的纳米尺度的有序 核壳结构，还包括空球、微囊等材料。通过裁剪核或壳的结构、尺寸，可以调控核壳材 料的吸附分离、催化、光学、磁学等性质，从而表现出异于单组分的核或壳的性能。核 壳结构材料按外壳来分，主要有金属/非金属类、非金属/金属的化合物类、分子筛类和 金属有机骨架类。然而，金属有机骨架为壳的核壳结构材料的研究至今相对比较少，还 不是很成熟，因此类核壳材料仍有很大的发展潜力。
金属有机骨架材料MOFsppt课件.pptx
In recent years, the number and diversity of MOF structures have grown significantly, and many water-stable and thermally stable MOFs now exist, Enabling an exciting expansion of their application. Depending on the application envisaged, different functional stabilities e important.
Connectivity of Zr6 nodes in zirconiumbased metal–organic frameworks and
the associated carboxylate molecules
required to link nodes together.
2
Thermal stability
3 MOF stability in catalytic systems
The chemical (acid–base) stability of some representative metal–organic frameworks based on literature data. The bar length indicates the pH range that the metal–organic frameworks (MOFs) can tolerate. An arrow indicates that the MOF can withstand pH<0 or pH>14.
Some arrangements of linkers and connectors render MOFs more resistant to deformation and destruction than others. Some computational studies show that mechanical stability tends to be enhanced with shorter linkers. An important practical development that greatly reduces the mechanical performance requirements for MOFs in applications.
金属有机骨架化合物的合成制备应用简介课件
在合成制备方面，需要进一步探索高效、环保、低成本的合成方法，以 降低MOFs的生产成本，促进其在工业上的广泛应用。
在应用方面，需要深入研究MOFs的构效关系和作用机制，以提高其在不 同领域的应用效果和可靠性。同时，也需要加强MOFs在实际应用中的安 全性和稳定性的研究，以确保其长期有效性和可靠性。
THANKS
水解。
合成困难
合成具有特定结构和性质的金 属有机骨架需要精确的控制条 件和过程。
孔径调控难度大
孔径大小是金属有机骨架的重 要性质，但调控难度较大，难 以实现孔径的精确控制。
应用领域有限
目前金属有机骨架化合物的应 用主要集中在气体储存和分离 领域，其他领域的应用有待进
一步开发。
未来的研究方向与前景
提高稳定性
气体传感和检测
金属有机骨架化合物对特定气体具有高灵敏度， 可以用于气体传感和检测领域。它们能够快速响 应有害气体，为环境监测和安全防护提供有力支持。
在催化领域的应用
酸性催化
某些金属有机骨架化合物具有酸性催化功能，可用于酯 化、烷基化等有机合成反应。这为高效合成复杂有机分子 提供了新的途径。
光催化
结合金属有机骨架化合物的光响应性质，可以实现光催 化反应。这为利用太阳能驱动化学反应提供了新的可能性。
通过改进合成方法和条件，提高金属 有机骨架化合物的稳定性，使其在实 际应用中更可靠。
拓展应用领域
积极探索金属有机骨架化合物在其他 领域的应用，如催化、光电、生物医 学等。
多功能化
通过设计具有多功能性的金属有机骨 架化合物，实现在单一材料中同时实 现多种功能。
绿色合成方法
开发环保、高效的合成方法，减少对 环境的负面影响，实现可持续发展。
结构
在应用方面，需要深入研究MOFs的构效关系和作用机制，以提高其在不 同领域的应用效果和可靠性。同时，也需要加强MOFs在实际应用中的安 全性和稳定性的研究，以确保其长期有效性和可靠性。
THANKS
水解。
合成困难
合成具有特定结构和性质的金 属有机骨架需要精确的控制条 件和过程。
孔径调控难度大
孔径大小是金属有机骨架的重 要性质，但调控难度较大，难 以实现孔径的精确控制。
应用领域有限
目前金属有机骨架化合物的应 用主要集中在气体储存和分离 领域，其他领域的应用有待进
一步开发。
未来的研究方向与前景
提高稳定性
气体传感和检测
金属有机骨架化合物对特定气体具有高灵敏度， 可以用于气体传感和检测领域。它们能够快速响 应有害气体，为环境监测和安全防护提供有力支持。
在催化领域的应用
酸性催化
某些金属有机骨架化合物具有酸性催化功能，可用于酯 化、烷基化等有机合成反应。这为高效合成复杂有机分子 提供了新的途径。
光催化
结合金属有机骨架化合物的光响应性质，可以实现光催 化反应。这为利用太阳能驱动化学反应提供了新的可能性。
通过改进合成方法和条件，提高金属 有机骨架化合物的稳定性，使其在实 际应用中更可靠。
拓展应用领域
积极探索金属有机骨架化合物在其他 领域的应用，如催化、光电、生物医 学等。
多功能化
通过设计具有多功能性的金属有机骨 架化合物，实现在单一材料中同时实 现多种功能。
绿色合成方法
开发环保、高效的合成方法，减少对 环境的负面影响，实现可持续发展。
结构
《MOFs材料介绍》课件
MOFs材料在传感器方面的研究进展
要点一
总结词
要点二
详细描述
MOFs材料在传感器领域的应用不断拓展，为检测气体、 生物分子等提供了高灵敏度和选择性的检测方法。
由于MOFs材料的孔径和孔容可调，以及具有丰富的功能 基团，它们在传感器领域的应用逐渐受到关注。科研人员 将MOFs材料应用于气体传感器、生物传感器和化学传感 器等领域，实现了对气体、生物分子等的高灵敏度和选择 性检测。这些传感器在环境监测、食品安全、医疗诊断等 领域具有广泛的应用前景。
MOFs材料在催化反应领域的研究进展
总结词
MOFs材料在催化反应领域展现出优良的催化性能和 反应选择性，为工业催化过程提供了新的可能性。
详细描述
MOFs材料的多孔性和可调变性使其成为一种理想的 催化剂载体。科研人员通过将金属或金属氧化物纳米 粒子嵌入到MOFs框架中，制备出具有高活性和选择 性的催化剂。这些催化剂在加氢、氧化、烷基化等反 应中表现出优异的性能，有望替代传统的催化剂，降 低工业生产过程中的能耗和污染物排放。
气候变化研究
利用MOFs材料的孔径可调性和结 构多样性，研究气候变化过程中 气体的吸附和扩散行为，为气候 变化研究提供有力支持。
01
MOFs材料的研究 进展
MOFs材料在气体储存和分离方面的研究进展
总结词
MOFs材料在气体储存和分离领域的研究不 断取得突破，具有高吸附容量和选择性的优 点。
详细描述
微波辅助法
总结词
利用微波能量加速前驱体的反应以合成 MOFs材料。
VS
详细描述
微波辅助法是利用微波的快速加热作用， 加速前驱体的反应速度，从而合成MOFs 材料。该方法操作简便，反应速度快，但 需要使用微波仪器，且对某些前驱体可能 存在不稳定性问题。
金属有机骨架材料(MOF)的分类课件
要点二
详细描述
为了拓展MOFs的应用领域，提高其功能化程度至关重要 。目前，研究者们正在致力于开发具有特定功能的MOFs ，如催化、吸附、光学等，以满足不同领域的需求。同时 ，还需要深入研究MOFs的功能化机制，为其未来的发展 提供理论支持。
中度功能化MOFs
功能化程度适中，适用于中等复杂吸附和分离。
高度功能化MOFs
功能化程度较高，适用于复杂吸附和分离以及催化反应等应用。
03
MOFs的应用领域
气体储存和分离
由于MOFs具有高比表面积和可调的孔径，它们被广泛应用于气体储存和分离领 域。
MOFs可以用于储存氢气、甲烷等清洁能源气体，提高能源的储存密度。同时， MOFs也可以用于分离工业气体，如二氧化碳、乙烯等，提高产品的纯度。
催化反应
MOFs具有高比表面积和可调的孔径，可以作为催化剂的载 体，提高催化反应的效率和选择性。
MOFs可以用于催化有机反应、光催化反应和电化学反应等 ，如烷基化反应、氧化反应和加氢反应等。这些反应在化工 、制药和新能源等领域具有广泛的应用前景。
药物传递和释放
MOFs具有可调的孔径和结构，可以用于药物传递和释放 ，实现药物的精准控制。
孔径大小类型MOFs的特点
大孔径MOFs
孔径大于10 Å，适用于大 分子物质的吸附和分离。
中孔径MOFs
孔径在5-10 Å之间，适用 于中小分子物质的吸附和 分离。
小孔径MOFs
孔径小于5 Å，适用于小分 子物质的吸附和分离。
功能化程度类型MOFs的特点
低度功能化MOFs
功能化程度较低，适用于简单吸附和分离。
拓扑结构类型MOFs的特点
八面体型
以八面体作为基本结构单元，形成的 MOFs具有较高的比表面积和孔容， 适用于气体储存和分离。
金属有机骨架材料(MOFs)PPT精选文档
Although there is no standard method for assessing the stability of MOFs in acidic, basic or neutral solutions, it is often judged by comparing the powder Xray diffraction (PXRD) pattern of a MOF before and after soaking it in a given aqueous solution.
7
2
Stability of metal–organic frameworks
8
Stability is defined as resistance of the structure to degradation. However, another possible definition is thermodynamic in origin: many functionally stable MOFs (as well as zeolites) are thermodynamically unstable with respect to alternative — typically, denser — polymorphs. An active area of MOF research is the development of routes to thermodynamically unstable, but functionally stable, polymorphs.
Metaembers:Cao Chang Fu Chu Xian
Reporter: Du Meng Yuan
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Stability of metal–organic frameworks
8
Stability is defined as resistance of the structure to degradation. However, another possible definition is thermodynamic in origin: many functionally stable MOFs (as well as zeolites) are thermodynamically unstable with respect to alternative — typically, denser — polymorphs. An active area of MOF research is the development of routes to thermodynamically unstable, but functionally stable, polymorphs.
Metaembers:Cao Chang Fu Chu Xian
Reporter: Du Meng Yuan
1
金属有机骨架材料MOFs及其应用课件
详细描述
MOFs可以用于制造光电器件、光学 传感器、光子晶体等光学器件。这些 器件在光通信、显示技术等领域有广 泛应用。
03
MOFs的挑战与前景
稳定性问题
01
热稳定性
MOFs在高温下容易分解，影响 其在实际应用中的持久性和稳定 性。
02
03
化学稳定性
水稳定性
MOFs对某些化学物质的稳定性 较差，容易与某些气体或液体发 生反应，导致结构破坏。
多功能性探索
总结词
未来研究将进一步挖掘MOFs的多功能性，拓展 其在能源、环境等领域的应用。
总结词
探索MOFs在光电转换、传感器和生物医学等领 域的应用潜力。
ABCD
详细描述
利用MOFs的孔道和活性位点，开发其在气体存 储、分离、催化等方面的多功能性。
详细描述
利用MOFs的优异性能，开发其在太阳能电池、 生物成像和药物传递等方面的应用。
药物载体设计与应用
药物载体设计
MOFs具有可调的孔径和结构，可以作为药物载体用于 药物输送。通过优化MOFs的结构和性质，可以实现药 物的控释、靶向输送和高效释放。
药物应用
利用MOFs作为药物载体，可以实现药物的定向输送和 局部浓集，提高药物的疗效并降低副作用。同时， MOFs还可以用于药物的储存和保护，提高药物的稳定 性。
MOFs在水环境中容易发生水解 或水合作用，影响其性能和稳定 性。
孔径调控与功能性
孔径调控
通过改变配体和金属离子，可以调控MOFs的孔径大小，实现对特定分子的吸附和分离 。
功能性
通过引入功能性基团或与其他材料复合，赋予MOFs新的功能，如催化、传感、发光等 。
规模化制备与成本
规模化制备
MOFs可以用于制造光电器件、光学 传感器、光子晶体等光学器件。这些 器件在光通信、显示技术等领域有广 泛应用。
03
MOFs的挑战与前景
稳定性问题
01
热稳定性
MOFs在高温下容易分解，影响 其在实际应用中的持久性和稳定 性。
02
03
化学稳定性
水稳定性
MOFs对某些化学物质的稳定性 较差，容易与某些气体或液体发 生反应，导致结构破坏。
多功能性探索
总结词
未来研究将进一步挖掘MOFs的多功能性，拓展 其在能源、环境等领域的应用。
总结词
探索MOFs在光电转换、传感器和生物医学等领 域的应用潜力。
ABCD
详细描述
利用MOFs的孔道和活性位点，开发其在气体存 储、分离、催化等方面的多功能性。
详细描述
利用MOFs的优异性能，开发其在太阳能电池、 生物成像和药物传递等方面的应用。
药物载体设计与应用
药物载体设计
MOFs具有可调的孔径和结构，可以作为药物载体用于 药物输送。通过优化MOFs的结构和性质，可以实现药 物的控释、靶向输送和高效释放。
药物应用
利用MOFs作为药物载体，可以实现药物的定向输送和 局部浓集，提高药物的疗效并降低副作用。同时， MOFs还可以用于药物的储存和保护，提高药物的稳定 性。
MOFs在水环境中容易发生水解 或水合作用，影响其性能和稳定 性。
孔径调控与功能性
孔径调控
通过改变配体和金属离子，可以调控MOFs的孔径大小，实现对特定分子的吸附和分离 。
功能性
通过引入功能性基团或与其他材料复合，赋予MOFs新的功能，如催化、传感、发光等 。
规模化制备与成本
规模化制备
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感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网用的模块有 Discover，COMPASS，Cell等。
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MOFs的理论计算
计算化学方法
量子 力学
.
分子 力学
MOFs的理论计算
定义势函数形 式
定义原子类型 定义参数化流 程 确定训练基
拟合参数
.
MOFs材料储氢性能的研究
• 储氢的意义 • 不可再生的化石能源现在已经成为当今社会比
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氢气在MOF-5中的吸附等温线
.
结果与讨论
• 我们分别对77-298 K范围内的12个温度点，及0-8MPa 的压力下，氢气在MOF-5中的吸附等温线进行了模拟研究 ，其结果如上图所示。由图中可以看出，在恒定温度下， 氢气的吸附量随着压力的增加而增加，在低压时吸附量增 加较快，说明吸附速度较快;随着压力升高，吸附量增加 的速度减缓，当压力达到6MPa时，吸附量增加已比较平 缓。同时，77 K吸附量最大，从77 K到133 K，同一压力 下吸附量增加速度放缓，吸附速度下降较明显，温度继续 升高，吸附速度渐趋于零，温度升至193 K以上，变化已 经微乎其微，吸附速度只在0-30MG/G下变化。由此可以 看出，氢气的吸附量随着压力的增大而增大，随温度的升 高而减小，而吸附速度随压力的升高而减缓，随着温度升 高而减慢。
.
MOFs材料储氢性能的研究
• 影响MOFs材料储氢性能的主要因素
• ①孔径大小和孔隙率 • ②比表面积 • ③等量吸附热 • ④有机配体 • ⑤金属离子
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金属有机骨架材料MOF-5宽温区储氢性能模 拟研究
• 1力场模型 • 建立力场模型是分子模拟中非常重要的部分。在本研究中
，氢气采用的是Buch模型，对于MOF-5骨架结构采用的 是全原子模型，在模拟计算中MOFs骨架结构被认为是刚 性的，氢气与MOF-5原子之间的相互作用采用LorentzBerthelot棍合法则。 • 2模拟方法 • 巨正则系综蒙特卡罗方法(GCMG)在模拟过程中保证系统 本身的化学位μ、体积V和温度T不变，而体系内的粒子数 是可变的，可以直接模拟计算各种分子在特定体系内的平 衡吸附量。分子模拟得出结果是模拟系统内的气体分子总 数，它对应的是MOF-5的绝对吸氢能力。
过渡金属离子自组装而成的配位聚合物
Metal-organic frameworks
.
MOFs国内外发展状况
• 目前，国外开展MOFs材料研究的机构主要 有美国密歇根大学Yaghi研究小组。该小组 致力于MOF-5的研究，自1995年以来合成 了MOF-5，并对其进行了大量的理论和实 验研究。
.
孔径大小孔隙率 比表面积
等量吸附热
储
氢
因 素
性 能 的
影
响
多孔性
特
大比表面积
点
结构的多样性
.
绪论
MOFs
展 望 题中 的 难
吸氢量少 常温储氢量少
储氢机理
催化剂
应
用
气体储存
气体分离
2 MOFs理论计算
软件介绍
Ms是专门为材料科学领域研究者开发 的一款可运行在PC上的模拟软件。使 化学及材料科学的研究者们能更方便 地建立三维结构模型，并对各种晶体、 高分子材料的性质及相关过程进行深
金属有机骨架(MOFs)材料的理 论研究
答辩学生 李万国 学号 09510121 指导老师 李维学（教授）
.
金属有机骨架(MOFs)材 料的理论研究
绪论
MOFs的理论研究 MOFs储氢性能研究
.
1 绪论
MOFs的组成
金属有机骨架（MOFs）是由含氧、氮等的 多齿有机配体（大多是芳香多酸和多碱）与
.
温度的影响
.
结果与讨论
• 4结论 • 通过用巨正则系综蒙特卡罗(GCMG)方法模拟MOF-5材料
在低温宽温区(77 K-300K)范围的吸附等温线，并结合吸 附位点得到以下结果: • (1)氢气的吸附量随着压力的增大而增大，低压时增加趋势 较大，高压段，随着压力的增加，增大趋势趋于平缓。 • l2)氢气的吸附量随着温度的降低而增大，温度越低，吸附 量随压力升高而增加的趋势越明显。 • (3)低温下，氢气与MOF-5的相互作用力是吸附的主要原 因，随着温度升高，分子间相互作用力减小，体积k成为 主要原因。
较敏感的一个话题，虽然它对地球环境有的污染 极大，但人类目前却无法摆脱，所以现在急需要 一种可再生无污染的能源来拯救世界。而氢能源 的出现正好就解决了这一难题，但怎样去经济的 储氢就显得很重要。现在储氢的方法主要有：高 压储氢、液化储氢、氢气水合物储氢、有机液体 储氢和吸附储氢。而近年来，新崛起的金属有机 骨架配合物是用于吸附储氢的一种新型材料。
.
结果与讨论
• 3.3. 3吸附位点 • 为了进一步研究MOF-5材料中的吸附行为，通过统计100
万步氢吸附的蒙特卡罗数据，得到氢分子相对密度图5。 而图5(a),5(b),5(c)显示，在0. 1 MPa下，氢分子集中吸附 在金属团簇周围，随着压力的逐渐升高，在4MPa时，金 属团簇周围接近饱和，氢分子另一重要吸附位点在具有较 大接触面积和结合能的有机连接体，而压力达到8 MPa时 ，金属团簇及有机连接部分仍然是吸附氢气相对密度最大 的部分，同时孔道中间气相部位气体密度有所提高，但相 对比例较小，而在298 K时，孔道中间气相部分氢分子出 现的相对密度比77 K条件下大得多，氢分子的分布比较广 泛。从图5(c) ,5（d）,5(f)可看出，在133 K下，氢分子主 要集中在金属团簇以及有机连接体BCD周围，在77K下， 吸附量较大，这种现象尤为明显。
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MOFs的理论计算
计算化学方法
量子 力学
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分子 力学
MOFs的理论计算
定义势函数形 式
定义原子类型 定义参数化流 程 确定训练基
拟合参数
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MOFs材料储氢性能的研究
• 储氢的意义 • 不可再生的化石能源现在已经成为当今社会比
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氢气在MOF-5中的吸附等温线
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结果与讨论
• 我们分别对77-298 K范围内的12个温度点，及0-8MPa 的压力下，氢气在MOF-5中的吸附等温线进行了模拟研究 ，其结果如上图所示。由图中可以看出，在恒定温度下， 氢气的吸附量随着压力的增加而增加，在低压时吸附量增 加较快，说明吸附速度较快;随着压力升高，吸附量增加 的速度减缓，当压力达到6MPa时，吸附量增加已比较平 缓。同时，77 K吸附量最大，从77 K到133 K，同一压力 下吸附量增加速度放缓，吸附速度下降较明显，温度继续 升高，吸附速度渐趋于零，温度升至193 K以上，变化已 经微乎其微，吸附速度只在0-30MG/G下变化。由此可以 看出，氢气的吸附量随着压力的增大而增大，随温度的升 高而减小，而吸附速度随压力的升高而减缓，随着温度升 高而减慢。
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MOFs材料储氢性能的研究
• 影响MOFs材料储氢性能的主要因素
• ①孔径大小和孔隙率 • ②比表面积 • ③等量吸附热 • ④有机配体 • ⑤金属离子
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金属有机骨架材料MOF-5宽温区储氢性能模 拟研究
• 1力场模型 • 建立力场模型是分子模拟中非常重要的部分。在本研究中
，氢气采用的是Buch模型，对于MOF-5骨架结构采用的 是全原子模型，在模拟计算中MOFs骨架结构被认为是刚 性的，氢气与MOF-5原子之间的相互作用采用LorentzBerthelot棍合法则。 • 2模拟方法 • 巨正则系综蒙特卡罗方法(GCMG)在模拟过程中保证系统 本身的化学位μ、体积V和温度T不变，而体系内的粒子数 是可变的，可以直接模拟计算各种分子在特定体系内的平 衡吸附量。分子模拟得出结果是模拟系统内的气体分子总 数，它对应的是MOF-5的绝对吸氢能力。
过渡金属离子自组装而成的配位聚合物
Metal-organic frameworks
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MOFs国内外发展状况
• 目前，国外开展MOFs材料研究的机构主要 有美国密歇根大学Yaghi研究小组。该小组 致力于MOF-5的研究，自1995年以来合成 了MOF-5，并对其进行了大量的理论和实 验研究。
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孔径大小孔隙率 比表面积
等量吸附热
储
氢
因 素
性 能 的
影
响
多孔性
特
大比表面积
点
结构的多样性
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绪论
MOFs
展 望 题中 的 难
吸氢量少 常温储氢量少
储氢机理
催化剂
应
用
气体储存
气体分离
2 MOFs理论计算
软件介绍
Ms是专门为材料科学领域研究者开发 的一款可运行在PC上的模拟软件。使 化学及材料科学的研究者们能更方便 地建立三维结构模型，并对各种晶体、 高分子材料的性质及相关过程进行深
金属有机骨架(MOFs)材料的理 论研究
答辩学生 李万国 学号 09510121 指导老师 李维学（教授）
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金属有机骨架(MOFs)材 料的理论研究
绪论
MOFs的理论研究 MOFs储氢性能研究
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1 绪论
MOFs的组成
金属有机骨架（MOFs）是由含氧、氮等的 多齿有机配体（大多是芳香多酸和多碱）与
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温度的影响
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结果与讨论
• 4结论 • 通过用巨正则系综蒙特卡罗(GCMG)方法模拟MOF-5材料
在低温宽温区(77 K-300K)范围的吸附等温线，并结合吸 附位点得到以下结果: • (1)氢气的吸附量随着压力的增大而增大，低压时增加趋势 较大，高压段，随着压力的增加，增大趋势趋于平缓。 • l2)氢气的吸附量随着温度的降低而增大，温度越低，吸附 量随压力升高而增加的趋势越明显。 • (3)低温下，氢气与MOF-5的相互作用力是吸附的主要原 因，随着温度升高，分子间相互作用力减小，体积k成为 主要原因。
较敏感的一个话题，虽然它对地球环境有的污染 极大，但人类目前却无法摆脱，所以现在急需要 一种可再生无污染的能源来拯救世界。而氢能源 的出现正好就解决了这一难题，但怎样去经济的 储氢就显得很重要。现在储氢的方法主要有：高 压储氢、液化储氢、氢气水合物储氢、有机液体 储氢和吸附储氢。而近年来，新崛起的金属有机 骨架配合物是用于吸附储氢的一种新型材料。
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结果与讨论
• 3.3. 3吸附位点 • 为了进一步研究MOF-5材料中的吸附行为，通过统计100
万步氢吸附的蒙特卡罗数据，得到氢分子相对密度图5。 而图5(a),5(b),5(c)显示，在0. 1 MPa下，氢分子集中吸附 在金属团簇周围，随着压力的逐渐升高，在4MPa时，金 属团簇周围接近饱和，氢分子另一重要吸附位点在具有较 大接触面积和结合能的有机连接体，而压力达到8 MPa时 ，金属团簇及有机连接部分仍然是吸附氢气相对密度最大 的部分，同时孔道中间气相部位气体密度有所提高，但相 对比例较小，而在298 K时，孔道中间气相部分氢分子出 现的相对密度比77 K条件下大得多，氢分子的分布比较广 泛。从图5(c) ,5（d）,5(f)可看出，在133 K下，氢分子主 要集中在金属团簇以及有机连接体BCD周围，在77K下， 吸附量较大，这种现象尤为明显。