金属-有机骨架材料(metal-organic frameworks, MOFs)是一种新型的类似沸石的纳米多孔材料,具有种类多样性、结构可设计性与可调控性、较大的比表面积及良好的热稳定性等优点,已成为当前材料领域的一个研究前沿与热点,有望在储气、分离、催化、生物化学及制药等领域获得广泛的应用。然而,由于MOF材料种类繁多,结构复杂,纯粹地采用实验的方法很难对其进行系统的研究,很大程度上阻碍了此类材料的实际应用。计算化学理论的日臻完善为深入研究MOF材料的性能提供了一个难得的契机。本文针对几种MOF材料在二氧化碳气体吸附和分离方面的特性,采用分子模拟和实验相结合的方法对其进行了系统的研究,充分发挥了分子模拟在材料设计、材料预筛选、性能预测等方面的优势,同时弥补了实验在微观机理研究方面的不足,初步实现了从以经验为主向定量、定向制备的思维转变。主要内容及创新如下：1、采用巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对二氧化碳在五种IRMOF材料中吸附产生的阶梯现象进行了详细的研究,并设计出一种新材料IRMOF-1-4Li;初步研究了阶梯现象对于C02/CH4分离的影响。研究结果表明：低温条件下,孔径越大的IRMOF材料越容易发生阶梯现象；发生阶梯现象的转变压力与能够发生阶梯现象的转变温度都与孔径呈线性关系；进一步验证了二氧化碳分子间的相互作用是产生阶梯现象的关键；IRMOF-1在引入-OLi官能团后,发生阶梯现象的压力降低,与本文的结论一致；利用阶梯现象分离C02/CH4体系时,二氧化碳的分离选择性明显提高。2、采用巨正则系综蒙特卡洛模拟(GCMC)方法考察了两种骨架带负电荷的类沸石金属-有机骨架材料(ZMOFs):usf-ZMOF和sod-ZMOF对二氧化碳／甲烷的分离特性。分子模拟的结果显示,用Li+、Na+、K+离子交换后的sod-ZMOF材料对二氧化碳的吸附能力均优于离子交换前；且两种ZMOF材料中C02对CH4的分离选择性也高于常见的几种MOF材料。我们采用溶剂热方法合成了usf-ZMOF和sod-ZMOF材料,作离子交换实验,对材料结构进行了表征,并重点考察Li-usf-ZMOF和Na-sod-ZMOF对二氧化碳的吸附性能。实验结果表明,离子交换后的Li-usf-ZMOF和Na-sod-ZMOF材料对二氧化碳的吸附量分别为29.82和28.61 cm3.g-1,均高于离子交换前的样品,与分子模拟预测的趋势一直。3、采用水热方法合成了Cu-BTC材料,对材料结构进行了表征,重点考察了超临界二氧化碳干燥方法对材料结构的影响,为超临界二氧化碳干燥在MOF材料中的应用提供了有用的信息。结果显示,超临界二氧化碳干燥和常规干燥后,Cu-BTC的比表面积分别为1679.082和1545.171 m2·g-1,孔隙率分别为0.796和0.559 cm3·g-1。超临界干燥后,Cu-BTC材料的比表面积和孔体积均有所增加。若将超临界二氧化碳干燥应用于具有柔性骨架的MOFs,效果可能更明显。