李松課題組?JMCA：吸附式熱泵MOFs吸附劑的高通量計算篩選

Alisa 5年前 (2019-03-08) 4531瀏覽

【前言】

日前，華中科技大學李松課題組的博士研究生李煒在Journal of Materials Chemistry A上在線刊發了題為[Structure-Property Relationship of Metal-Organic Frameworks for Alcohol Adsorption based Heat Pumps by High-throughput Computational Screening]的文章（DOI: 10.1039/C8TA07909A）。文章報道了一種能夠快速、準確評價大量基于MOFs-乙醇工質對的吸附式熱泵性能的高通量篩選方法。第一作者：李煒博士研究生；通訊作者：李松副教授

DOI: 10.1039/C8TA07909A

文章亮點

  • 高通量計算篩選與吸附式熱泵的熱力學模型相結合，首次建立了直接預測大量MOFs-乙醇工質對熱泵性能系數（Coefficientof Performance, COP）的方法，并實驗驗證其可靠性。
  • 通過主成分分析和決策樹模型等大數據分析方法，揭示MOFs結構特征、吸附性能和吸附式熱泵性能之間的構效關系模型，闡明了影響吸附式熱泵COP的關鍵因素及機理。

【背景介紹】

吸附式熱泵是一種采用低品位能源（如太陽能或工業廢物）驅動的制冷/制熱裝置，可有效降低傳統化石能源消耗，實現節能環保的長遠目標，受到研究人員廣泛的關注。傳統吸附劑由于吸附量低、再生能耗高等缺陷，導致其熱泵性能系數（COP）偏低，難以滿足實際應用需求。當前，作為表面積最高的一種納米多孔材料，金屬有機骨架材料（MOFs）具有優良的吸附性能，因而被認為是一種適用于吸附式熱泵的最有前景的吸附劑。傳統吸附劑熱泵性能的研究方法包括：制備吸附劑、測試其吸附性能、制作吸附床并測試其吸附式熱泵的系統性能(COPC)。這種研究方法周期長、成本高、效率低，且缺乏目標導向型。對于MOFs而言，其種類眾多，如何從成千上萬MOFs中，快速確定具有高效制冷性能（COPC）的MOFs是一個巨大的挑戰。因此，本文將基于分子模擬的高通量計算篩選方法與熱力學模型相結合，首次建立了直接預測MOFs-乙醇工質對熱泵制冷性能（COPC）的方法，并采用主成分分析和決策樹等數據挖掘手段獲得了其構效關系關系，闡明了影響COPC關鍵結構特征與吸附性能。理論預測結合實驗驗證，通過實驗測量的乙醇吸附曲線進一步預測COP，驗證了理論預測的準確性。

圖一. 基于金屬有機骨架-乙醇工質對的吸附式熱泵制冷性能的高通量計算篩選

【圖文解析】

1.MOFs結構特征與吸附性能之間的關系

MOFs的吸附性能與其結構特征密切相關。圖二展示了MOFs的結構特征[孔徑（LCD）和孔容（Va）]和吸附性能[工作吸附量（ΔW）和平均吸附焓（<ΔadsH>）]之間的關系。研究結果表明，孔徑在10-15 ?，孔容大于1 cm3/g時，MOFs具有較高的工作吸附量（ΔW >?0.2 g/g ）和適宜的吸附焓（40?<?-<ΔadsH>?< 50 kJ/mol）。根據吸附式熱泵的熱力學模型，ΔW和<ΔadsH>對制冷性能系數(COPC)具有主導作用，因此推斷MOFs孔徑在10-15 ?，孔容略大于1 cm3/g時，其制冷性能最佳。

圖二. MOFs結構特征與其吸附性能之間的關系

?2.MOFs結構特征與制冷性能（COPC）之間的關系

圖三展示了MOFs的結構特征[LCD、Va?和比表面積（ASA）]和制冷性能系數（COPC）之間的關系。結果表明，對于孔徑范圍在10-15 ?內、孔容較高（>?1?cm3/g）的MOFs，由于其較高的ΔW和適宜的<ΔadsH>，其COPC較高。

圖三. MOFs結構特征與其制冷性能之間的關系

?3.MOFs結構特征、吸附性能與制冷性能三者之間的關系

為了深入的闡明MOFs結構特征、吸附性能與制冷性能三者之間的聯系，我們通過主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）和決策樹模型（Decision Tree, DT）對此進行了分析（圖四）。結果發現，孔徑是影響吸附式熱泵COPC的關鍵因素：當孔徑（LCD）較小時，ΔW過低，因而限制了COPC；當孔徑較大、<ΔadsH>過高時，再生能耗較高，COPC較低；當具有適合的?<ΔadsH>?時， MOFs具有較高的COPC。決策樹模型進一步揭示了主導MOFs制冷性能的ΔW的臨界值為 0.27 g/g：低于0.27 g/g?時，COPC?≤?0.8；高于0.27 g/g?時，COPC?> 0.8。對于工作吸附量小于0.27 g/g的MOFs，孔容是限制其吸附量的主要因素；而對于工作吸附量大于0.27 g/g的MOFs，降低平均吸附焓是提高其COPC的關鍵途徑。

圖四.MOFs結構特征、吸附性能與熱泵性能之間的主成分分析

圖五.?MOFs結構特征、吸附性能與熱泵性能的決策樹模型分析

【總結展望】

綜上，本研究突破了現有實驗手段的局限，為快速、高效預測大量吸附式熱泵工質對的性能提供了一種科學有效的方法。同時，為實驗設計和制備具有優異制冷性能的吸附劑指明了方向，推動了吸附式熱泵的研發與應用。

文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ta/c8ta07909a#!divAbstract

本文由作者供稿，材料人編輯部Alisa編輯。

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