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金屬有機骨架與相變芯材相互作用的分子動力學

海廣通 薛祥東 蘇天琪 魏永強 高志猛 馬雨威 王靜靜

海廣通, 薛祥東, 蘇天琪, 魏永強, 高志猛, 馬雨威, 王靜靜. 金屬有機骨架與相變芯材相互作用的分子動力學[J]. 工程科學學報, 2020, 42(1): 99-105. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001
引用本文: 海廣通, 薛祥東, 蘇天琪, 魏永強, 高志猛, 馬雨威, 王靜靜. 金屬有機骨架與相變芯材相互作用的分子動力學[J]. 工程科學學報, 2020, 42(1): 99-105. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001
HAI Guang-tong, XUE Xiang-dong, SU Tian-qi, WEI Yong-qiang, GAO Zhi-meng, MA Yu-wei, WANG Jing-jing. Molecular dynamics study on the interaction between metal-organic frameworks and phase change core materials[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(1): 99-105. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001
Citation: HAI Guang-tong, XUE Xiang-dong, SU Tian-qi, WEI Yong-qiang, GAO Zhi-meng, MA Yu-wei, WANG Jing-jing. Molecular dynamics study on the interaction between metal-organic frameworks and phase change core materials[J]. Chinese Journal of Engineering, 2020, 42(1): 99-105. doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001

金屬有機骨架與相變芯材相互作用的分子動力學

doi: 10.13374/j.issn2095-9389.2019.07.26.001
基金項目: 國家自然科學基金資助項目(51436001, 51802016);中央高校基本科研業務費專項資金(FRF-TP-19-001A2)
詳細信息
    通訊作者:

    E-mail: jingjingwang@ustb.edu.cn

  • 中圖分類號: TK124

Molecular dynamics study on the interaction between metal-organic frameworks and phase change core materials

More Information
  • 摘要: 金屬有機骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)由于具有規整的孔道結構,較高的孔隙率十分適合作為相變材料的載體,從而實現對相變芯材的有效封裝。本文采用分子動力學方法,對Cr-MIL-101負載十八烷,十八酸,十八胺和十八醇等不同芯材而構筑的復合相變材料的結構特性進行了研究,主要包括相變芯材和金屬有機骨架基材之間的相互作用,芯材在金屬有機骨架材料孔道內的擴散特性以及空間分布特性等。研究表明:十八酸和金屬有機骨架基體之間的相互作用最強,十八醇和十八胺次之,十八烷最弱,具體體現在相變芯材分子與金屬有機骨架材料之間的相互作用能,回轉半徑,分子動能,自擴散系數以及熱容等眾多方面,此外,當芯材分子間相互作用和金屬有機骨架材料與芯材之間的相互作用達到平衡時,芯材分子在孔道內處于較為自由的狀態,有利于擴散的進行,進而有利于芯材的結晶。

     

  • 圖  1  Cr-MIL-101的晶體結構模型

    Figure  1.  Crystal structure model of Cr-MIL-101

    圖  2  Cr-MIL-101負載不同相變芯材的模型質量負載率為70%。(a) 十八酸;(b) 十八胺;(c) 十八醇;(d) 十八烷

    Figure  2.  Structure model of Cr-MIL-101 loaded with different phase change core materials: (a) octadecanoic acid; (b) octadecylamine; (c) octadecanol; (d) octodecane

    圖  3  不同復合相變材料回轉半徑的概率分布。(a) Cr-MIL-101@十八酸;(b) Cr-MIL-101@十八胺;(c) Cr-MIL-101@十八醇;(d) Cr-MIL-101@十八烷

    Figure  3.  Probability distribution of radius of rotation: (a) Cr-MIL-101@octadecanoic acid; (b) Cr-MIL-101@octadecylamine; (c) Cr-MIL-101@octadecanol; (d) Cr-MIL-101@octodecane

    圖  4  均方位移隨時間的演化曲線。(a) Cr-MIL-101@十八酸;(b) Cr-MIL-101@十八胺;(c) Cr-MIL-101@十八醇;(d) Cr-MIL-101@十八烷

    Figure  4.  Evolution curve of mean-square displacement with different times: (a) Cr-MIL-101@octadecanoic acid; (b) Cr-MIL-101@octadecylamine; (c) Cr-MIL-101@octadecanol; (d) Cr-MIL-101@octodecane

    圖  5  芯材運動動能隨時間的演化曲線。(a) Cr-MIL-101@十八酸;(b) Cr-MIL-101@十八胺;(c) Cr-MIL-101@十八醇;(d) Cr-MIL-101@十八烷

    Figure  5.  Evolution curve of the kinetic energy of core materials with different time: (a) Cr-MIL-101@octadecanoic acid; (b) Cr-MIL-101@octadecylamine; (c) Cr-MIL-101@octadecanol; (d) Cr-MIL-101@octodecane

    表  1  Cr-MIL-101與不同相變芯材之間的相互作用能

    Table  1.   Interaction energy between Cr-MIL-101 and different phase change core materials

    相變芯材十八酸十八胺十八醇十八烷
    相互作用能/(103 kJ·mol?1)?7.62?6.10?6.50?5.25
    下載: 導出CSV

    表  2  Cr-MIL-101與不同相變芯材之間的靜電作用能

    Table  2.   Electrostatic energy between Cr-MIL-101 and different phase change core materials

    相變芯材十八酸十八胺十八醇十八烷
    相互作用能/(103 kJ·mol?1)?3.78?3.39?3.43?2.72
    下載: 導出CSV

    表  3  不同相變芯材在金屬有機骨架材料孔道中的自擴散系數

    Table  3.   Self-diffusion coefficients of different phase change core materials in MOFs channel

    相變芯材十八酸十八胺十八醇十八烷
    自擴散系數/(10?4 nm2·ps?1)8.610.127.436.35
    下載: 導出CSV

    表  4  金屬有機骨架材料負載不同相變芯材的熱容

    Table  4.   Heat capacity of MOFs loaded with different core materials

    相變芯材十八酸十八胺十八醇十八烷
    熱容/(103 kJ·mol?1)5.49?6.277.995.08
    下載: 導出CSV
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  • 加載中
圖(5) / 表(4)
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  • 收稿日期:  2019-07-26
  • 刊出日期:  2020-01-01

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