镁基MOFs中丙烷分离的计算模拟研究：对甲烷、乙烷和氮气的二元选择性

本文结合巨正则蒙特卡洛(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)模拟，系统研究了镁基金属有机框架(MOFs)对丙烷(C3H8)与甲烷(CH4)、乙烷(C2H6)及氮气(N2)的二元分离性能。研究发现Mg-MOF-74在298 K和1 bar条件下对丙烷具有高达344.4 mg/g的吸附容量和显著选择性，DFT计算揭示其吸附能达-41.4 kJ·mol-1(含色散校正)，为低碳烃分离提供了高效节能的吸附剂设计策略。

　　

亮点 (Highlights)

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  结合GCMC、MD和周期性DFT计算，提供了从吸附容量、分子运动性到结合能量的多尺度研究视角。
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  GCMC模拟在VSA相关条件下进行，评估了三种镁基MOF结构（Mg-MOF-1, Mg-CUK-1, Mg-MOF-74）的气体吸附行为。
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  结构数据从CCDC以CIF文件格式获取，模拟使用RASPA软件包进行。

结果与讨论 (Results and discussions)

综合运用GCMC、MD和周期性DFT方法，提供了一个统一的多尺度视角，将吸附容量、分子运动性和结合能量学联系起来。首先进行了GCMC模拟，以评估三种镁基MOF结构（Mg-MOF-1、Mg-CUK-1和Mg-MOF-74）在不同压力（0.1、1和10 bar）及298 K温度下的气体吸附行为。结构数据从剑桥晶体学数据中心（CCDC）以CIF文件格式获取，模拟使用RASPA软件包在真空变压吸附（VSA）相关条件下进行。评估了二元混合物（丙烷/X: 50/50）的吸附情况。

结论 (Conclusions)

本研究评估了选定的镁基MOFs的气体分离性能，重点研究了丙烷在与乙烷、甲烷和氮气的二元混合物中的选择性吸附。利用GCMC和MD模拟，评估了这些MOFs在298 K不同压力下的吸附容量和分离效率。其中，Mg-MOF-74对丙烷表现出最高的亲和力，在1 bar压力下的吸附量达到344.4 mg/g，超过了文献中报道的许多结构。Langmuir和Freundlich等温线拟合证实了丙烷与MOF表面之间的强相互作用。关键参数，如扩散选择性、渗透性和膜选择性，均显示丙烷相对于其他气体具有显著优势。DFT计算进一步在分子水平上揭示了相互作用的本质，丙烷在MOF骨架上的吸附能，在不考虑色散校正时为-6.1 kJ·mol^-1，而在包含色散效应后显著增强至-41.4 kJ·mol^-1。这些发现突显了镁基MOFs，特别是Mg-MOF-74，在丙烷选择性吸附方面的巨大潜力，为开发高效的低碳烃分离工艺提供了有价值的见解。