沸石咪唑酯骨架微观传热机理的分子模拟研究

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金属有机骨架(Metal-Organic Frameworks,MOFs)作为一类新型的多孔材料,因其具有超高的比表面积、较高的孔隙率、良好的热稳定性和化学稳定性,在吸附分离领域具有广阔的应用前景。在实际工程应用中,MOFs的热导率对其相关吸附体系的传热性能有着重要的影响。然而在已报道的研究中,MOFs的结构特性与其热导率的相关性,以及气体吸附对其热导率的影响机理尚不明确。本文首先通过分子动力学(Molecular Dynamic,MD)模拟方法计算了18种具有相同金属团簇和有机配体但拓扑结构各异的沸石咪唑酯骨架(Zeolitic Imidazolate Frameworks,ZIFs)的热导率,探究了ZIFs的结构特征与其热导率的相关性,进一步揭示ZIFs晶体内的传热机理。结果表明,ZIFs的热导率与其孔径(Largest Cavity Diameter,LCD和Pore Limiting Diameter,PLD)、密度、Zn和N原子的重叠能(Eoverlap)之间没有明显的相关性。因此,本文继而探究了二级结构单元SBUs(Secondary Building Units)的空间取向和SBUs构成的传热路径与ZIFs热导率的相关性,采用对准张量(Ai)定量描述SBUs的空间取向在i(即x、y或z)方向上的分量,并提出了传热路径因子(Pf)来描述ZIFs晶体内的最优传热路径数密度。结果表明,SBUs的空间取向决定了单个ZIF晶体在不同方向上热导率的相对大小,即Ai数值越大,其i方向的热导率越大。然而,不同ZIFs间热导率的相对大小并不能通过Ai进行预测。这表明ZIFs的传热性能并不完全由SBUs的空间取向决定,ZIFs晶体内传热路径的长度和分布也会影响其传热性能。据此,本文提出的传热路径因子(Pf)与ZIFs的热导率呈现明显的正相关性,即Pf数值越大,ZIFs的热导率越大,表明ZIFs晶体内的最优传热路径密度决定了其传热性能。为了进一步探究气体吸附对ZIFs传热性能的影响机理,本文通过巨正则蒙特卡洛(Grand Canonical Monte Carlo,GCMC)分子模拟获得了ZIF-dft、ZIF-gis和ZIF-lta吸附氢气(H2)、甲烷(CH4)和乙醇(C2H5OH)分子的初始构型,并通过MD分子模拟方法计算了三种ZIFs吸附气体后的热导率。结果表明,气体分子作为ZIFs晶体内的客体分子,会通过在ZIFs晶体骨架上的Zn原子间形成额外传热路径而提高ZIFs晶体的传热性能,ZIFs的热导率会随气体吸附量增加而升高。不同ZIFs晶体吸附同一种气体后的热导率升高趋势不同,其升高趋势与额外传热路径上的Zn原子和气体之间的Eoverlap变化有关,Eoverlap的升高幅度越大,Zn原子和气体之间振动频率的协调性越强,越有利于额外传热路径的形成,ZIFs吸附气体后的热导率升高幅度越大。此外,吸附不同气体对同一ZIF传热性能的提高不同,这主要与气体在ZIFs晶体内的空间分布和扩散速率有关。气体在ZIFs晶体内的分布越均匀,形成的额外传热路径的连贯性越好,越有利于提高ZIFs的传热性能;气体在ZIFs晶体内的扩散速率越快,额外传热路径的传热效率越高,越有利于提高ZIFs的传热性能。
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