一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂Zn-MOF-74脱硫机理的方法与流程

本发明涉及化工，尤其涉及一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法。

背景技术：

1、so2是大气污染问题中影响范围大、毒性较强并且含量较大的一种难处理污染物，即使微量so2也可以通过使去co2的吸收剂或脱硝催化剂失活，从而减少了其他烟气净化过程，金属有机骨架mofs是一类由有机化合物作为配体，与金属盐离子通过一系列方法制备的可以控制孔径大小的材料，是在材料领域研究火热的多孔类沸石材料，由于其多孔结构，mofs性能明显优于其他竞争性吸附剂，对于so2具有高吸附能力、选择性和稳定性，利用其作为吸附剂可以达到减少硫污染的目的。

2、运用基于密度泛函理论的量子化学技术，可以直观图像化的观察到吸附体系中so2的具体吸附行为，便于揭示多孔材料的高效脱硫机理，定性定量的解释说明吸附位点和吸附行为的合理性，通过实验方法得到的反应过程和结果已经不能满足分子层面的机理研究，量子化学及计算化学方法近些年来已经成为了新型材料研究，物体表面吸附等领域的强有力工具，为研究吸附行为开辟了更深层次的一个新的途径。

技术实现思路

1、本发明提供了一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，利用multiwfn软件的密度泛函理论在服务器上计算so2-zn-mof-74的吸附性质，从量子化学的角度定性定量分析溶剂热法制备的具有巨大比表面积的zn-mof-74高效吸附机理的方法，为揭示新型材料吸附机理和量子化学理论的广泛利用奠定了理论基础。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

3、一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，包括下列步骤：

4、1)溶剂热法制备zn-mof-74多孔吸附剂；

5、2)通过实验测试zn-mof-74多孔吸附剂对so2的吸附性能；

6、3)构建zn-mof-74多孔材料模型：在ccds晶体库中选取zn-mof-74的晶胞信息并进行扩胞，截取独立单元进行末端键位补氢，并利用cp2k进行结构及晶胞优化；

7、4)计算zn-mof-74多孔材料吸附性质，包括下列步骤：

8、a)选择multiwfn作为模拟计算软件；

9、b)对构建优化后的zn-mof-74模型加入so2先进行构象搜索，寻找最佳吸附位点，基于密度泛函理论在cp2k模块中，通过静电势和范德华势的计算和分析来解释so2吸附位置及分子朝向，并进行弱相互作用力范围及类型的分析，最后计算出结合能和孔道自由体积。

10、进一步的，所述溶剂热法制备zn-mof-74多孔吸附剂步骤包括：

11、1)将0.15～0.20g六水合硝酸锌和0.05～0.10g 2，5-二羟基对苯二甲酸均匀混合；

12、2)加入8～10ml有机溶剂dmf和1～2ml的水，进行均匀混合；

13、3)将混合后的混合物转移到不锈钢内衬的高压灭菌器中密封，加热至120～150℃3～5天；

14、4)加热得到的产物用20～30ml dmf过滤和洗涤至上清液澄清；

15、5)再将产物与20～30ml甲醇在玻璃小瓶中反复交换洗涤，每天每2～3小时一次，连续3～5天，洗掉沉淀物产物中的dmf有机溶剂，最后经真空干燥后得到zn-mof-74多孔材料。

16、进一步的，所述制备完成的zn-mof-74多孔吸附剂先在氮气氛围下升温活化后，再做吸附测试实验。

17、进一步的，所述测试zn-mof-74多孔吸附剂的吸附性能的实验是将其置于石英固定床反应器中常温常压下对so2吸附进行测试。

18、进一步的，所述步骤3)中利用cp2k进行结构及晶胞优化，是利用cp2k代码，并使用pbe泛函和dft-d3色散校正优化几何结构，将dzvp-molopt-sr-gth基组与geodecker-teter-hutter赝势联用。

19、进一步的，所述最佳吸附位点是经过不同吸附体系的构象搜索后，得到能量最低的体系内的so2吸附位置。

20、进一步的，zn-mof-74模型加入so2后构建的吸附体系采用了最佳吸附位点的位置进行igm独立梯度模型分析，将系统分为吸附剂和吸附质进行分段考察

21、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

22、本发明通过量子化学模拟软件multiwfn对所建晶胞及结构的性质，即表面静电势及范德华势分布，自由孔道体积进行理论计算，并通过构想搜索得到最佳吸附位点进行弱相互作用力和结合能的计算，结合实验结果揭示了zn-mof-74高效吸附机理的方法，为揭示新型材料吸附机理和量子化学理论的广泛利用奠定了理论基础。

23、利用本发明所述的基于密度泛函理论计算的方法对zn-mof-74多孔材料高效吸附机理的分析与传统的单一实验方法相比，具有以下显著的优越性：通过理论化学计算，在原子分子层面分析多孔吸附剂的表面化学性质，分析晶胞表面静电势，范德华势和孔道自由体积，用以解释吸附位点及分子朝向，结合量子化学技术，利用构想搜索的技术寻找最佳吸附位点，利用独立梯度模型图像化分析so2吸附过程中弱作用力作用范围及类型，并考虑基组重叠误差定量计算吸附能，定性定量的分析zn-mof-74对so2的吸附行为，通过实验结果和理论计算相结合的方式，揭示了zn-mof-74高效脱硫机理。

技术特征：

1.一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，其特征在于，包括下列步骤：

2.根据权利要求1所述的一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，其特征在于，所述溶剂热法制备zn-mof-74多孔吸附剂步骤包括：

3.根据权利要求1所述的一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，其特征在于，所述制备完成的zn-mof-74多孔吸附剂先在氮气氛围下升温活化后，再做吸附测试实验。

4.根据权利要求1所述的一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，其特征在于，所述测试zn-mof-74多孔吸附剂的吸附性能的实验是将其置于石英固定床反应器中常温常压下对so2吸附进行测试。

5.根据权利要求1所述的一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，其特征在于，所述步骤3)中利用cp2k进行结构及晶胞优化，是利用cp2k代码，并使用pbe泛函和dft-d3色散校正优化几何结构，将dzvp-molopt-sr-gth基组与geodecker-teter-hutter赝势联用。

6.根据权利要求1所述的一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，其特征在于，所述最佳吸附位点是经过不同吸附体系的构象搜索后，得到能量最低的体系内的so2吸附位置。

7.根据权利要求1所述的一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂zn-mof-74脱硫机理的方法，其特征在于，zn-mof-74模型加入so2后构建的吸附体系采用了最佳吸附位点的位置进行igm独立梯度模型分析，将系统分为吸附剂和吸附质进行分段考察。

技术总结
本发明涉及一种基于密度泛函理论揭示多孔吸附剂Zn‑MOF‑74脱硫机理的方法，利用Multiwfn软件计算与实验相结合，研究Zn‑MOF‑74多孔吸附剂高效吸附SO<subgt;2</subgt;机理的方法，利用溶剂热法制备出来的Zn‑MOF‑74多孔材料在脱硫方面表现出巨大的优越性，利用基于密度泛函理论的量子化学方法，在原子分子水平通过构想搜索，静电势、范德华势、结合能、弱相互作用力分析，分子孔道自由体积等方面的计算，结合实验结果揭示了Zn‑MOF‑74多孔材料的高效吸附机理；通过图像化的方式定量定性的解释了SO<subgt;2</subgt;在吸附剂孔道内部的吸附行为，为量子化学理论在化工技术的领域应用奠定了理论基础。

技术研发人员：孙健恒,闫小燕,张奇,张宗珍,骆宗伟,孙嘉茹
受保护的技术使用者：中冶北方（大连）工程技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19