Mg-MOF-74对CO2/CH4吸附分离的分子动力学模拟及气体吸附性能研究

doi:10.3976/j.issn.1002-4026.2023.03.015

山东科学 ›› 2023, Vol. 36 ›› Issue (3): 123-134.doi: 10.3976/j.issn.1002-4026.2023.03.015

Mg-MOF-74对CO₂/CH₄吸附分离的分子动力学模拟及气体吸附性能研究

解祎¹^,²(), 张晶¹^,^*(), 孙金强¹, 刘晓婵¹, 伊希斌¹, 孙永兴²

1.齐鲁工业大学(山东省科学院) 新材料研究所山东省特种含硅新材料重点实验室, 山东济南 250014
2.中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院, 山东青岛 266580

收稿日期:2023-02-16 出版日期:2023-06-20 发布日期:2023-06-07
通信作者: * 张晶,女,副研究员,研究方向为新型能源材料。Tel:0531-82605448,E-mail: zhangjing@sdas.org
作者简介:解祎(1997—),男,硕士研究生,研究方向为气体吸附。E-mail:xy17874236987@163.com
基金资助:
山东省自然科学基金(ZR2021ME124)

Molecular dynamics simulation and gas adsorption properties of CO₂/CH₄adsorbed using Mg-MOF-74

XIE Yi¹^,²(), ZHANG Jing¹^,^*(), SUN Jinqiang¹, LIU Xiaochan¹, YI Xibin¹, SUN Yongxing²

1. Shandong Provincial Key Laboratory of Special Silicon-containing Material, Advanced Materials Institute, Qilu University of Technology (Shandong Academy of Sciences), Jinan 250014, China
2. School of Materials Science and Engineering, China University of Petroleum(East China), Qingdao 266580, China

Received:2023-02-16 Online:2023-06-20 Published:2023-06-07

摘要/Abstract

摘要：

天然气是一种环保型能源并且可被广泛用做化工原料,但是其中的CO₂会严重影响天然气的热值与输送性能,因此对天然气中的CO₂进行有效脱除尤为重要。选用Mg-MOF-74作为吸附剂,采用分子动力学模拟计算方法分析Mg-MOF-74对CO₂/CH₄吸附分离性能的影响。模拟计算结果显示,在一定的温度、压强条件下,CO₂比CH₄更容易与Mg-MOF-74的金属位点相结合,Mg-MOF-74对CO₂气体的相互作用力更强,从而证明Mg-MOF-74对CO₂的吸附能力也更好。为验证模拟结果的准确性,制备了Mg-MOF-74并测试了其CO₂/CH₄吸附性能,实验结果与模拟结果一致,证明Mg-MOF-74对CO₂有很高的选择性。

关键词: 金属有机骨架, 气体吸附分离, 分子动力学模拟, 模拟计算, 材料化学

Abstract:

Natural gas is an environmentally friendly energy source that can be used in various chemical raw materials. However, the presence of CO₂ in natural gas has a significant impact on the heat value and transportation performance of natural gas. Therefore, effective CO₂ removal from natural gas is critical. In this study, Mg-MOF-74 was selected as an adsorbent and its effect on CO₂/CH₄ adsorption and separation performance was investigated using a molecular dynamics simulation method. Based on the simulation results, at certain pressure and temperature settings, CO₂ is more likely to bind to the metal sites of Mg-MOF-74 than CH₄. Moreover, Mg-MOF-74 exhibits a stronger interaction force with CO₂ gas, indicating a higher capacity for CO₂ adsorption. To verify the accuracy of the simulation results, Mg-MOF-74 was prepared and its CO₂/CH₄ adsorption performance was tested.The experiment results is consistent with the simulation,that proved Mg-MOF-74 is more attractive to CO₂.

Key words: metal-organic frameworks, gas adsorption and desorption, molecular dynamics simulation, simulation, materials chemistry

中图分类号:

TB34

解祎, 张晶, 孙金强, 刘晓婵, 伊希斌, 孙永兴. Mg-MOF-74对CO₂/CH₄吸附分离的分子动力学模拟及气体吸附性能研究[J]. 山东科学, 2023, 36(3): 123-134.

XIE Yi, ZHANG Jing, SUN Jinqiang, LIU Xiaochan, YI Xibin, SUN Yongxing. Molecular dynamics simulation and gas adsorption properties of CO₂/CH₄adsorbed using Mg-MOF-74[J]. Shandong Science, 2023, 36(3): 123-134.

图/表 17

表1

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参考文献 16

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药品名称	化学式	级别	生产厂家
六水合硝酸镁	Mg(NO₃)₂·6H₂O	AR	阿拉丁试剂有限公司
2,5-二羟基对苯二甲酸	DHTA	AR	阿拉丁试剂有限公司
N, N-二甲基甲酰胺	DMF	AR	国药集团化学试剂有限公司
无水乙醇	C₂H₅OH	≥99.7%	国药集团化学试剂有限公司
蒸馏水	H₂O		实验室自制

仪器名称	型号	生产厂家
电子天平	AR1040/C	北京赛多利斯仪器股份有限公司
电热恒温鼓风干燥箱	DHG-9076A	上海精宏实验设备有限公司
真空干燥箱	DZ-2BC II	天津市泰斯特仪器有限公司
高速离心机	HC-3018	安徽中科中佳科学仪器有限公司
多功能超纯水机	Unique-R10	厦门锐思捷科学仪器有限公司
磁力搅拌器	HJ-6A	巩义市瑞力仪器设备有限公司

原子名称	Mg1	C2	C3	C4	C10
材料电荷(e)	1.135 651	-0.033 264	0.169 131	-0.223 640	0.332 640
原子名称	O11	O12	O16	O18	H8
材料电荷(e)	-0.618 171	-0.497 569	-0.554 811	-0.768 444	0.256 000

Mg-MOF-74对CO₂/CH₄吸附分离的分子动力学模拟及气体吸附性能研究

Molecular dynamics simulation and gas adsorption properties of CO₂/CH₄adsorbed using Mg-MOF-74

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