計(jì)算化學(xué)在金屬有機(jī)骨架中的應(yīng)用3300字

1、計(jì)算化學(xué)在金屬有機(jī)骨架中的應(yīng)用3300字 摘要：計(jì)算化學(xué)是眾多化學(xué)研究領(lǐng)域中最具研究潛力的分支之一，通過對詳細(xì)的分子系統(tǒng)進(jìn)展理論分析和模擬計(jì)算，不僅能比較準(zhǔn)確、快速地答復(fù)例如反響機(jī)理等根本化學(xué)問題，而且省去了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的高昂材料費(fèi)用及冗長的時(shí)間。如今計(jì)算化學(xué)已被廣泛用于各個(gè)科研領(lǐng)域。據(jù)此，主要就計(jì)算化學(xué)的背景、計(jì)算化學(xué)常用的方法及其在金屬一有機(jī)骨架材料方面的研究作一下簡單的介紹。 畢業(yè)關(guān)鍵詞：金屬有機(jī)骨架；量子化學(xué)；分子模擬；吸附；別離中圖分類號：TB文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Adoi：10.19311/j ki.16723198.2022.32.0931計(jì)算化學(xué)背景及其常用方法介紹1.1背景介紹計(jì)算是過去十

2、多年以來開展勢頭最好的化學(xué)研究領(lǐng)域之一。 它是基于根本的物理化學(xué)理論到大量的數(shù)字操作來探究化學(xué)系統(tǒng)的性質(zhì)。 比方使用量子化學(xué)來解釋實(shí)驗(yàn)中的各種化學(xué)現(xiàn)象，幫助化學(xué)家們更詳細(xì)的理解和分析觀測結(jié)果。 此外，對于不易直接觀察或得到結(jié)果的化學(xué)體系，化學(xué)計(jì)算可以起到預(yù)測的作用，為下一步的研究的方向具有指導(dǎo)作用。 同時(shí)，計(jì)算化學(xué) 對開展更高程度的化學(xué)理論也有著宏大的作用。1.2從頭算方法從頭算法是根據(jù)物理模型中的三個(gè)根本近似于上世紀(jì)70年代 開場逐漸興起不借助任何經(jīng)歷參數(shù)而全部嚴(yán)格計(jì)算分子積分以求解全電子體系的薛定諤方程的方法。1.3半經(jīng)歷方法從頭算法具有嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)理論支持，可以獲得更好的計(jì)算結(jié)果，但遇到生

3、物酶，高分子聚合物等復(fù)雜的大分子系統(tǒng)時(shí)， 計(jì)算本錢昂貴且耗時(shí)較長。為了能讓計(jì)算化學(xué)這一新生學(xué)科更好的效勞于科學(xué)，科學(xué)家們以從頭算法為根底，忽略了一些對結(jié)果影響不大的參數(shù)，或引用了一些經(jīng)歷參數(shù)，近似的求解薛定諤方程就是半經(jīng)歷算法。如：AM1、PM3、MNDO、CNDO、ZDO 等。1.4密度泛函方法DFTDFT方法是近年來興起的一種處理互相作用多粒子體系的量子化學(xué)近似計(jì)算方法，它也要求解薛定鍔方程。但與從頭算法和半經(jīng)歷法相比較而言，DFT方法在計(jì)算速度和精度上具有一定的優(yōu)勢。 DFT方法的開展勢頭非常迅猛，在理論計(jì)算的很多方面如計(jì)算鍵能、預(yù)測化合物構(gòu)造和反響機(jī)理等方面，獲得了極大的成功。1.5蒙

4、特卡洛方法 MC蒙特卡洛法MC是使用隨機(jī)數(shù)的計(jì)算方法。MC法的根本原理就是通過理解該事件的概率或是隨機(jī)變量的期望值，可以用于通過MC方法獲得這種事件的概率，或者隨機(jī)變量的平均值作為問題的解決方案。 該方法來自數(shù)學(xué)數(shù)學(xué)方法，然后按照該模型中描繪的過程進(jìn)展，數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)由計(jì)算機(jī)進(jìn)展，結(jié)果作為測量解?Q問題的參考值。MC法將計(jì)算機(jī)與數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法有機(jī)地結(jié)合在一起。1.6分子力學(xué)模擬molecular mechanics， MMMM興起于二十世紀(jì)七十年代左右， 是基于經(jīng)典力學(xué)的計(jì)算方法，MM又稱分子力場Force Field方法。該方法的根本原理是主要根據(jù)分子的力場force filed計(jì)算分子的各種

5、特性，基于“Born-Oppenheimer近似對量子化學(xué)經(jīng)典的Schrodinger方程進(jìn)展簡化，相比量子化學(xué)來說，極大地節(jié)省計(jì)算時(shí)間，因此可用于計(jì)算包含上萬粒子數(shù)目的體系。2計(jì)算化學(xué)在金屬有機(jī)骨架中的應(yīng)用進(jìn)入21世紀(jì)以來，計(jì)算化學(xué)在化學(xué)相關(guān)領(lǐng)域中發(fā)揮了越來越重要的作用 DFT方法已在很多領(lǐng)域獲得了成功，而計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在過去十多年里大放異彩，利用計(jì)算化學(xué)可以為實(shí)驗(yàn)提供最優(yōu)化設(shè)計(jì)；通過縮短實(shí)驗(yàn)周期大大降低實(shí)驗(yàn)本錢。下面就計(jì)算化學(xué)在幫助研究金屬有機(jī)材料方面做一個(gè)簡單的介紹 主要是關(guān)于金屬一有機(jī)骨架材料應(yīng)用進(jìn)展，簡要闡述計(jì)算化學(xué)在MOFS材料中的吸附與別離等方面的一些應(yīng)用MOFS材料其本身具有許

6、多傳統(tǒng)多孔材料不可比較的優(yōu)勢，如容易制備，大孔體積和超大外表積。MOF材料前景潛力無限，但是由于自身構(gòu)造等原因使用傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法很難對其進(jìn)展深化系統(tǒng)地研究，因此計(jì)算化學(xué)方法在這類材料的研究中發(fā)揮了非常重要的作用，利用計(jì)算化學(xué)方法可以促進(jìn)人們對這類材料的全面認(rèn)識，使其更好的為人類所利用。能源一直是科學(xué)界的重點(diǎn)研究對象，近些年來，清潔能源的研究比較受到重視 天然氣作為 一種非常清潔的燃料，在減輕空氣污染，改善社會經(jīng)濟(jì)效益方面，改善居住環(huán)境等方面的有很大的優(yōu)勢。CO2的含量多少對CH4的存儲量有著很大的影響，這就意味著在研究CH4對材料的吸附機(jī)理的同時(shí)也要將CO2考慮進(jìn)去，天然氣主要是由甲烷構(gòu)成，所

7、以研究甲烷在看材料中的吸附機(jī)理顯得很有意義。進(jìn)展機(jī)理方面的研究人員并不是很多，Snurr等人97是最早進(jìn)展這方面研究的團(tuán)隊(duì)，研究了CH4在IRMOFS中的吸附行為，并和其他的一些材料進(jìn)展了比照。為時(shí)間新型存儲CH4的MOFS材料做了一定的理論指導(dǎo)和根據(jù).Philip等人對 CH4、CO2在同類多孔金屬對苯甲酸鹽MIL-53 和 MIL-47 中的不同吸附行為進(jìn)展了研究，對于CO2和CH4出現(xiàn)不同的step現(xiàn)象可能是因?yàn)闃?gòu)造性收縮及氣體和骨架之間特殊的互相作用而引起的。Zhong 課題組那么選擇GCMC 分子模擬系統(tǒng)的研究 CH4、 H2 和CO2 分子在不同孔徑中二維的共價(jià)有機(jī)骨架材料COF材

8、料中的吸附行為，模擬結(jié)果顯示出氣體在2DCOF 材料中吸附現(xiàn)象step的出現(xiàn)是非常常見的。說明大孔徑是有利于 step現(xiàn)象的發(fā)生眾所周知，氫能源是公認(rèn)的非常清潔的能源， 但是氫儲存技術(shù)是制約其進(jìn)一步開展的瓶頸，而MOF材料在這些方面表現(xiàn)出其優(yōu)良的性能 使得大規(guī)模的存儲不再只是空談，美國官方標(biāo)準(zhǔn)為：溫度到達(dá)-30攝氏度以上且壓力小于100bar時(shí)同時(shí)，氫氣的存儲量到達(dá)百分之5.3以及40g/L。理論上某些材料可以滿足這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但是實(shí)際中并未有實(shí)驗(yàn)室合成過類似可以滿足該標(biāo)準(zhǔn)的材料。 但相對而言對H2在MOFS材料中的存儲性能的研究還是算很多的了。3展望隨著計(jì)算化學(xué)理論的日臻完善與軟硬件設(shè)備的提升，

9、計(jì)算化學(xué)與人們的生活聯(lián)絡(luò)越來越嚴(yán)密，特別是在能源儲存，材料選擇、生命科學(xué)、物理化學(xué)、生物化學(xué)等方面會發(fā)揮越來越重要的作用。同時(shí)，各個(gè)學(xué)科之間的穿插越來越密集，我們在進(jìn)展研究的同時(shí)也可以嘗試著將不同學(xué)科的知識理論與計(jì)算化學(xué)進(jìn)一步交融互補(bǔ)，推動科學(xué)到達(dá)一個(gè)新的高度。參考文獻(xiàn)1Bulrelly S，Llewellyn PL，Serre C等人，同種納米多孔金屬對苯二甲酸鹽MIL-53和MIL-47中甲烷和二氧化碳的不同吸附行為J.美國化學(xué)學(xué)報(bào)，2022，12739：1351913521.2Walton K S，Millward A R，Dubbeldam D等人，理解二氧化碳吸附等溫線金屬有機(jī)骨架中的反響和步驟J.美國化學(xué)學(xué)會學(xué)報(bào)，2022，1302：406407.3蘭杰，曹德，王偉，本T，朱高.具有金剛石構(gòu)造的多孔芳香骨架中的高容量氫儲存J.物理化學(xué)雜志，2022，16：978981.4Cao D P， Lan J h . Wang W C， simit B.鋰摻雜三維空腔有機(jī)構(gòu)造：高容量儲氫材料J.應(yīng)用化學(xué)國際版，2022，4826：47304733.5B， Bae Y， Wilmer C E， Snurr R Q.對金屬有機(jī)框架中甲烷、氫、乙炔的分子模擬進(jìn)展了綜述和分析J.化學(xué)評論，2022，1