多孔芳香骨架（PAFs）材料CO2吸附性能研究开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

目前CO₂是导致全球变暖的温室气体中最重要组成部分，化石燃料以及一些石油衍生物在日常生活中越来越广泛地应用，大量的燃烧废气使空气中的CO₂含量加倍增长。受其影响，全球大气环流产生变化，气候带向极地扩展，引起了气候异常进而导致多种自然灾害的发生，此外，气温升高还会引起和加剧传染病的传播。因此CO₂的排放问题引起了世界各国的广泛关注，各国均不同程度上采取措施来应对 CO₂引起气候变化的挑战。为了减小由于人为原因排放CO₂造成温室效应的加剧，目前国际上一般采用合适的方法将化石燃料燃烧排放的CO₂捕集起来，然后加以储存以减少CO₂向大气中的排放，即捕集并存储二氧化碳（即CCS）来控制CO₂的排放量。至今CO₂捕集、分离、回收技术主要有以下方法^[1]：1.物理吸收法：即利用CO₂在溶剂中的溶解度随压力、温度变化而改变的原理来分离CO₂，其具有吸收容量大，吸收剂用量小，能耗低等优点，但溶剂对CO₂的选择性较差；2.膜分离法：即根据气体中各个组分在压力作用下以不同的渗透速率与薄膜材料发生物理或化学反应，CO₂快速溶解并穿过薄膜选择性的将CO₂与气体分离。膜分离需要对吸收进行一定的前级处理，薄膜耐久性差，分离效率低，难以得到高纯度的CO₂为其主要缺点；3.物理吸附法：即利用吸附剂对气体中的CO₂的选择性和可逆性，将含有CO₂的气体通入吸附塔，气体与吸附剂接触从而达到分离回收CO₂的目的。根据其操作过程，物理吸附法又分为变压吸附法（PSA）和变温吸附法（TSA）。吸附分离过程是在填充吸附材料的滤床内进行的，常用的吸附剂有分子筛、活性氧化铝、硅胶、天然沸石及活性炭等。此法属于干法体系，不存在腐蚀问题，但其吸附容量有限，吸附解吸频繁，CO₂的回收率低，一般只有 50%～60%。；4.化学吸收法：即采用气体混合物与选用适当的吸收液相接触的方法，使气体混合物中的某些组分进入吸收液，溶解在吸收液中并发生化学反应，有选择性的吸收气体中的某种成分（如CO₂、SO₂等），从而达到从气体混合物中脱除某种气体的目的。其包括热钾碱法、氨法脱碳和醇胺法，此方法具有吸收效果好，分离纯度高的优点，但解吸过程中需要加热，消耗大量的能量，用某些吸收液会出现起泡现象，并可能出现二次污染，这在一定程度上降低了化学吸收法的经济效益。以上所有方法均存在各自的优缺点，是否能找到一种方法，能够低能耗、低成本、高回收地捕集CO₂从而解决CO₂的排放问题呢？就在最近的十几年中，具有高比表面积的多孔材料如金属有机骨架材料(MOFs)、共价有机骨架材料(COFs)、固有微孔聚合物(PIMs) 、共轭微孔聚合物(CMPs)及多孔芳香骨架材料等已经被成功合成，且在气体存储领域的应用也被大量研究及报道。在众多新兴多孔材料中，多孔芳香骨架材料由于其具有骨架密度低、比表面积大、特殊的骨架结构及优异的热及水热稳定性等特点，在气体存储领域受到科研工作者的青睐。2009年，Ben等^[2]成功合成出了当时具有最大比表面积的PAF-1，并对其气体存储性能进行了研究，结果表明，在298K和40 bar下对CO₂的吸附量为56.5 wt%，在此之后，国内外研究人员为了提高PAFs材料对CO₂的吸附性能，又进行了多种改性研究，总结如下：1.引入金属离子,如Li、Ge等；2.引入无机官能团，如：磺酸基团、Si基团等；3.引入极性有机官能团，如：四氢呋喃等醚类官能团、咪唑基团、芘等；4.引入氨基官能团，如聚胺基团等；5.用不同有机联接体和骨架结点设计新型结构；6.将PAFs材料碳化形成多孔的活性炭结构；7.采用更便宜的单体和催化剂（非贵金属催化剂）进行PAFs材料的合成等。但是历届研究者并未对各种新型改进的PFAs材料进行具体的吸附性能分析，确定最佳温度、压力条件、优先吸附位置等，故本次研究将针对此问题进行深入探讨，这将更有利于确定PAFs材料对CO₂的吸附储存机理，对提高吸附量有巨大意义。

2. 研究的基本内容与方案

研究目标：

学会运用materials studio 软件建立分子模型，并在已有研究的基础上尝试对pafs分子改性，提高co₂吸附量；采用qeq、mepo-qeq、ddec三种不同方法计算原子分布电荷，并根据数据的差异比较三种方法的优劣；通过gcmc模拟，探究温度、电荷等因素对pafs材料对co₂吸附性能的影响；通过分析co₂在pafs材料中的吸附热、等能面分布和质心密度分布，深度探究pafs材料吸附co₂的机理；将问题延伸至混合气体分离性能，探究pafs材料的气体选择性问题。

3. 研究计划与安排

1-2周 资料收集、整理，撰写开题报告，完成英文翻译

3-5周 熟悉gcmc模拟方法与力场参数的修改，掌握pafs材料分子建模、结构优化、ddec原子部分电荷计算的方法;

6-9周 研究若干pafs材料的储存co2性能;

4. 参考文献（12篇以上）

[1]. 李太星.醇胺法捕集co₂流程模拟与工艺改进[d].青岛：青岛科技大学大学，2010.4.20.

[2]. ben t，ren h，ma s，et al．targeted synthesis of a porous aromatic framework with high stability and exceptionally high surface area[j]．angew chem int ed，2009，48(50)：9457-9460．

[3]. ben t，li y，zhu l，et al．selective adsorption of carbon dioxide by carbonized porous aromatic framework(paf)[j]．energy environ sci, 2012, 5(8)：8370-8376．