《基於核電廠14CH4吸附分離新型金屬—有機骨架材料的合成》是依託北京化工大學，由張佳瑾擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：基於核電廠14CH4吸附分離新型金屬—有機骨架材料的合成
- 依託單位：北京化工大學
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：張佳瑾
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
針對核電站氣態流出物14CH4存儲這一熱點問題，以迄今為止成功合成的具有最高甲烷存儲能力的金屬—有機骨架化合物PCN-14為研究對象，利用分子模擬計算中的蒙特卡洛法，結合周期性邊界條件，研究14CH4在PCN-14材料中的吸附構型和吸附位置，探討14CH4存儲量與材料結構的關係。並在此基礎上通過改變有機配體的類型，設計對14CH4具有更高吸附性能的新型金屬—有機骨架化合物材料。進而指導實驗合成新型金屬—有機骨架化合物，採用IR、XRD、BET等手段對所得新型金屬—有機骨架化合物孔結構等物化性能進行表征，採用動態法吸附實驗測定甲烷穿透曲線，測定所得新型金屬—有機骨架化合物存儲甲烷的性能，考察反應溫度、起始反應物的成分以及配比對金屬—有機骨架化合物最終結構及吸附性能的調控作用，依此調整配體結構及合成條件。建立分子模擬—實驗合成共同篩選高性能14CH4存儲材料的新機制。
結題摘要
隨著核電的快速發展，14CH4作為核電站排放的主要含14C氣體，對生態環境構成了一定威脅，如何高效處理14CH4具有重要意義。本課題基於金屬有機骨架材料（Metal-Organic Frameworks, MOFs），採用計算化學研究方法，開展了14CH4吸附分離性能研究，探討了相關MOFs材料合成方法。利用計算化學方法，構建了14CH4的分子模型，修正了能準確描述PCN-14、M-PCN-14和HKUST-1氣體吸附行為的新型力場模型。基於含有不飽和金屬位點（Open-Metal Sites，OMS）的PCN-14，在分子層面設計開發了五種金屬改性材料， M-PCN-14（M=Ca、Zn、Ni、Co、Cr）。通過量子化學和分子模擬研究，對比分析了IRMOF-1、IRMOF-3、IRMOF-6、IRMOF-14、HKUST-1和PCN-14六種常見MOFs材料與本課題設計的M-PCN-14系列材料在14CH4吸附分離上的性能差異。結果表明，不飽和金屬位點與14CH4具有很強的相互作用，含有OMS的MOFs材料的14CH4吸附分離性能明顯優於IRMOFs系列材料。同時，在配體中引入給電子基團可以增強MOFs材料對14CH4的吸附分離性能，其中-C2H4給電子基團對於提升材料14CH4吸附分離性能效果顯著。在上述材料中，Zn-PCN-14具有最高的14CH4體積吸附量，在298 K和3.5 MPa下的吸附量為236.9 cm3/cm3，相比於PCN-14提升了約33 cm3/cm3；Ca-PCN-14具有最高的質量吸附量，在298 K和3.5 MPa下的吸附量為0.284 g/g，相比於PCN-14提升了約0.87 g/g；Co-PCN-14的14CH4/N2分離性能較好，在298 K和0.1-3.5 Mpa壓力範圍內，其14CH4吸附選擇性在5.3-4.8之間。對IRMOF-1、HKUST-1和PCN-14的合成方法進行了探索研究，考察了合成溫度、時間和原料配比等對材料製備過程的影響。溫度較低則IRMOF-1結晶速率過慢，對於HKUST-1，溫度過高容易生成雜質，HBF4的含量對PCN-14的合成影響甚大。為後續新型MOFs材料的發展和套用奠定了基礎。
