【摘 要】
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煤炭是我国能源结构中的主要组成部分,其直接燃烧会产生大量SO2、NO、CO2、CO,严重威胁生态环境和人类健康。吸附法作为处理以上气体的通用方法,应用条件广、耗能少、操作简单,一直受到广泛关注。金属有机骨架材料Mg-MOF-74因其丰富的金属位点、高比表面积等显著优势,可有效吸附气体分子,具有良好的应用前景和竞争优势。但该材料尚未大规模应用,并且在实验上很难精确探测到吸附机理和性质。本文一方面通过
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煤炭是我国能源结构中的主要组成部分,其直接燃烧会产生大量SO2、NO、CO2、CO,严重威胁生态环境和人类健康。吸附法作为处理以上气体的通用方法,应用条件广、耗能少、操作简单,一直受到广泛关注。金属有机骨架材料Mg-MOF-74因其丰富的金属位点、高比表面积等显著优势,可有效吸附气体分子,具有良好的应用前景和竞争优势。但该材料尚未大规模应用,并且在实验上很难精确探测到吸附机理和性质。本文一方面通过合成Mg-MOF-74,利用固定床吸附实验测试其对SO2、NO、CO的单独吸附及共吸附性能。另一方面基于密度泛函理论（DFT）,通过识别关键吸附位点和吸附模式,计算电荷密度与态密度,对SO2、NO、CO在Mg-MOF-74上的单吸附、共吸附,以及CO2对SO2、NO、CO吸附的影响进行了深入探究,可以为SO2、NO、CO和CO2的吸附过程提供理论基础,具有重要的研究意义,主要研究结论如下:（1）实验表明吸附剂Mg-MOF-74单吸附SO2、NO和CO的饱和吸附量分别为0.233 mmol/g、0.109 mmol/g和0.034 mmol/g。共吸附体系中,气体之间的相互作用因吸附顺序不同而有所差异,SO2和NO同时吸附时存在竞争作用导致各自吸附效果下降,预吸附NO通过相互作用增加SO2的吸附量,预吸附SO2因占据吸附位点能力强而削弱了NO的吸附;SO2和CO同时吸附时两种气体存在相反的吸附效果,预吸附SO2会降低CO的饱和吸附量;NO和CO同时吸附存在竞争作用,预吸附NO对CO的吸附影响较小。SO2、NO和CO之间存在竞争吸附机制,共吸附时各自的饱和吸附量都有不同程度的降低。（2）基于DFT探究吸附剂Mg-MOF-74单独吸附SO2、NO、CO的吸附性质,结果表明:裸露的金属位是气体吸附的主要位点,三种气体均以端位形式吸附并被活化,其中SO2的O端吸附比S端吸附更容易发生,NO的N端吸附与O端吸附均可以发生,CO的C端吸附与O端吸附都较难发生。金属位与气体之间的相互作用导致S-O键、N-O键、C-O键显著减弱,促进了气体分子的分裂。吸附剂向气体分子转移的电荷与气体分子键的延长成正比。（3）基于DFT探究吸附剂Mg-MOF-74共吸附SO2＆NO、SO2＆CO、NO＆CO、SO2＆NO＆CO的吸附性质,结果表明:SO2和NO之间的电荷转移增加了共吸附体系的稳定性;CO促进了预吸附SO2的分子结构变化和得电子能力;CO对预吸附NO的竞争吸附能力较弱;SO2＆NO＆CO同时吸附时,吸附剂对各种分子的吸附作用减弱。（4）基于DFT探究CO2对SO2、NO、CO吸附的影响,结果表明:CO2不能竞争预吸附气体的吸附位点,不能使SO2进一步活化,可以少量地促进NO的活化,在相邻金属位可以促进CO的活化。SO2＆NO＆CO2共吸附体系中,SO2的吸附受到抑制,NO吸附未受明显影响。SO2＆NO＆CO＆CO2共吸附体系中,SO2的吸附效果被削弱,NO、CO被进一步活化。
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