【摘要】：ZIF-8材料作為金屬有機骨架材料中的一種典型材料,在能源儲備方面?zhèn)涫苋藗冴P(guān)注,通過對ZIF-8材料的吸附量進行計算來預(yù)測材料的吸附性能,從而指導(dǎo)其正確有效的應(yīng)用,這種手段正在被廣泛地使用在新材料的開發(fā)中。為了方便普通研究者進行有機骨架材料在吸附方面的研究,將計算機與模擬方法相結(jié)合,研究并開發(fā)操作便捷且計算結(jié)果準(zhǔn)確的軟件系統(tǒng)是非常必要的。本文在調(diào)研和分析用戶需求的基礎(chǔ)上確定了系統(tǒng)的功能需求、數(shù)據(jù)需求等。首先,深入研究了巨正則蒙特卡羅(GCMC)方法并抽象出相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。為了計算ZIF-8材料對簡單構(gòu)型的客體分子的吸附量,分析并設(shè)計了基于GCMC的算法,以CH4為例驗證了算法的正確性,結(jié)果表明在使用現(xiàn)有的力場參數(shù)的情況下比材料學(xué)科傳統(tǒng)的常規(guī)實驗數(shù)據(jù)偏低。為此,基于粒子群算法對力場參數(shù)進行尋優(yōu),最終計算得出的結(jié)果與實驗值相吻合。其次,計算了 350、270、240、200K溫度下ZIF-8材料對CH4的吸附量,其結(jié)果與常規(guī)實驗值均相符,進一步驗證了優(yōu)化的力場參數(shù)的有效性;為了計算ZIF-8材料對具有復(fù)雜構(gòu)型的客體分子的吸附量,考慮到分子的空間取向性特點,將GCMC方法擴展,得出了空間取向搜索算法,該算法主要通過計算ZIF-8骨架與分子之間相互作用的最小能量來識別客體分子相對于ZIF-8骨架的位置和方向,以C2H6為例進行驗證,結(jié)果表明吸附等溫曲線的趨勢與預(yù)期的一致;又考慮到分子間靜電力作用,對GCMC方法再次擴展,在能量計算中加入靜電能計算。以CO2為例進行驗證,結(jié)果表明擴展后的算法嚴重低估了 ZIF-8材料對復(fù)雜小分子的吸附,通過對算法中的力場參數(shù)進行優(yōu)化,并再次計算,其結(jié)果與材料學(xué)科傳統(tǒng)的常規(guī)實驗值較吻合,驗證了優(yōu)化后的算法是正確的。最后,利用Visual Studio 2010集成開發(fā)工具,使用C#語言,實現(xiàn)了 ZIF-8材料對客體小分子的吸附量計算系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確計算ZIF-8材料對客體分子的吸附量,為人們以后研究材料的吸附性能提供了方便和可靠的平臺。
[Abstract]:As a typical material of metal-organic skeleton material, ZIF-8 material has attracted much attention in energy storage. The adsorption capacity of ZIF-8 material is calculated to predict its adsorption performance, which can guide its correct and effective application. This method is being widely used in the development of new materials. In order to facilitate the research on the adsorption of organic skeleton materials, it is necessary to study and develop a software system with convenient operation and accurate calculation results by combining computer with simulation methods. Based on the investigation and analysis of user demand, this paper determines the functional requirements and data requirements of the system. Firstly, the grand regular Monte Carlo (GCMC) method is studied and the corresponding mathematical model is abstracted. In order to calculate the adsorption amount of ZIF-8 materials to the simple configuration of guest molecules, the algorithm based on GCMC is analyzed and designed. The correctness of the algorithm is verified by CH4 as an example. The results show that the existing force field parameters are lower than the conventional experimental data. Therefore, the parameters of force field are optimized based on particle swarm optimization, and the calculated results are in good agreement with the experimental values. Secondly, the amount of CH4 adsorbed by ZIF-8 materials at 350270240200K is calculated, and the results are in agreement with the conventional experimental values, which further verify the validity of the optimized force field parameters, and in order to calculate the adsorption capacity of ZIF-8 materials to guest molecules with complex configurations, Considering the characteristics of the spatial orientation of molecules, the GCMC method is extended and the spatial orientation search algorithm is obtained. By calculating the minimum energy of the interaction between the ZIF-8 skeleton and the molecule, the position and direction of the guest molecule relative to the ZIF-8 skeleton are identified. The results of the C2H6 as an example show that the adsorption isothermal curve is in accordance with the expected trend. Considering the intermolecular electrostatic interaction, the GCMC method is extended again, and electrostatic energy calculation is added to the energy calculation. Taking CO2 as an example, the results show that the extended algorithm seriously underestimates the adsorption of complex small molecules by ZIF-8 materials, and optimizes the force field parameters of the algorithm, and calculates it again. The results are in good agreement with the conventional experimental data, and the optimized algorithm is correct. Finally, by using Visual Studio 2010 integrated development tool and C # language, a system for calculating the amount of guest molecules adsorbed by ZIF-8 materials is realized. The system can accurately calculate the adsorption amount of ZIF-8 materials to guest molecules. It provides a convenient and reliable platform for people to study the adsorbability of materials in the future.
【學(xué)位授予單位】：西安科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O647.3

【參考文獻】

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本文編號：2289824