多孔纳米材料对温室气体二氧化碳的高效捕获与存储

In the 21th century, global environmental degradation becomes one of the most severe challenges for human being. The escalating emissions of greenhouse gases (primarily CO2) using traditional energy sources bring fatal threat to the living environment. It is an extremely urgent topic of how to reduce anthropogenic CO2 emission nowadays. To understand and improve the physical and chemical properties of porous nanomaterials MOF, ZIF and COF for highly efficient CO2 capture and storage, it is highly demanding to perform further and systematic investigations from theoretical point of view. This project plans to construct a set of accurate force field parameters based on first-principles calculations and also develop parallel numerical codes on grand canonical Monte Carlo approach. Through the multiscale simulations, we focus on the separation of CO2 from other gases （such as H2、N2、CO and CH4 etc.）and the adjustment of the adsorption properties of CO2 from stuctural modifications in these porous nanomaterials, such as incorporation polar functional groups into the organic units, metal substitution and doping, and further decoration by impregnation with fullerene or carbon nanotube, etc. It is hopeful that our study will improve their CO2 capture and storage capacities, and will provide computational support for rational design and preparation of novel porous nanomaterials aiming at highly efficient CO2 seperation and storage.

环境问题是二十一世纪人类面临的最大挑战之一，传统能源在使用过程中排放出大量温室气体（主要是CO2），对人类的生存环境带来了致命的威胁。如何降低大气中二氧化碳的含量，是人类面临的紧迫问题。多孔纳米材料（如MOF、ZIF、COF等）因其较大的比表面积成为捕获和存储CO2的最佳材料，如何提高它们的捕获与存储性能，需要对它们进行深入、系统的理论研究。本项目拟采用第一性原理计算方法来建立一套精确的力场参数，并发展巨正则蒙特卡洛方法的并行程序，通过多尺度模拟，研究小分子功能团修饰、金属替换或掺杂、以及在金属修饰基础上内嵌富勒烯、碳纳米管等双重修饰调节这些多孔纳米结构，探讨它们对CO2与其它气体（如H2、N2、CO、CH4等）的分离机理及其对于CO2的吸附机理，以期大幅提高它们对二氧化碳的捕获与存储能力，为设计和制备出高效二氧化碳捕获和存储的多孔纳米材料提供理论依据和指导。

传统能源在使用过程中排放出大量温室气体（主要是CO2），对人类的生存环境带来了致命的威胁，因此减少和控制大气中的碳含量是我们人类需要亟待解决的环境问题。如何降低大气中二氧化碳的含量，一种方式是通过捕获的方式减少大气中的二氧化碳，另一种方式充分利用清洁能源替代传统能源（如氢能）。伴随着多孔纳米材料的发现，包括三维金属有机骨架（MOF）、类石墨烯C-N（如g-C2N）在内的多孔纳米材料因其较大的比表面积、自然的孔径成为捕获、存储以及分离气体的最佳材料，如何进一步提高它们对气体的捕获与存储性能，是本项目研究的重点和目标。本项目通过功能团修饰、团簇嵌入、金属开放点位引入的方法对实验上已合成的材料进行改性设计，采用多尺度模拟研究改性后的材料对CO2、H2的捕获能力以及与其它气体（如N2、CH4等）的分离性能。通过比较表征储存容量以及分离性能的参量，预测对气体捕获和存储性能较好的多孔纳米材料。主要研究内容包括：（1）基于第一性原理理论上研究了二维多孔石墨二炔以及具有S缺陷的MoS2材料对气体的分离性能；（2）利用第一性原理和巨正则蒙特卡洛模拟（GCMC）系统研究了金属掺杂的类石墨烯碳氮（g-C2N）材料对二氧化碳的捕获行为；（3）利用巨正则蒙特卡洛方法（GCMC）研究了CO2气体在Li掺杂的多孔框架材料中的吸附性能以及CO2/N2和CO2/CH4气体的分离性能。.在项目的资助下，项目组在ACS Appl. Mater. Interfaces、J. Phys. Chem.C 、Phys. Chem. Chem. Phys等期刊上发表论文9篇，期望为气体的捕获和分离提供一定的理论依据。