目前,人类面临着严重的能源危机和环境的破坏,氢气被认为是未来取代化石燃料最好的新洁净能源之一,近年来氢能经济(hydrogen economy)已被美、欧、日等发达国家提到了发展日程上,各国纷纷投巨资开展研究开发,以期安全、高效地获取、储存和利用氢能。而氢能要顺利得到应用需要解决氢气存储的问题。类沸石咪唑酯骨架化合物(Zeolitic Imidazolate Frameworks)由于具有结构组成多样性、较大比表面积和孔隙率、可调控性等特点,ZIFs作为一种有前途的储氢多孔性材料受到各国研究者关注。但是人们对于在多孔材料吸附氢气分子的机理仍然不是很清楚,因此氢气在类沸石咪唑酯骨架材料中的吸附位点和吸附机理的研究,具有重要的指导意义。由于传统实验条件和实验结果信息量的限制,对氢气在纳米微孔材料中吸附行为的研究存在较大的困难。而分子模拟作为与实验和理论并重的另外一种研究手段为我们提供了一种相对成本低、效率高的手段,因此采用分子模拟的方法研究纳米微孔材料的吸附具有重要的意义。本论文采用巨正则蒙特卡罗(Grand Canonical Monte Carlo,GCMC)模拟的方法研究了氢气在ZIFs中的吸附行为,并根据实验室发展的“材料断层成像”方法(Computer Tomography for materials,mCT)研究吸附质分子在金属-有机骨架(MOFs)中的吸附位点,利用该方法分析了氢气在ZIFs骨架结构中的吸附位点和机制。本论文的主要研究结果如下:1.由于氢气在ZIFs中吸附的分子模拟是我们首先做的,所以关于骨架材料和氢气的力场以及模型都必须重新建立并和实验结果进行对比验证,这是用蒙特卡洛模拟研究的基础,在这一指导思想下,本工作首先研究验证了氢气在ZIFs中进行GCMC吸附模拟的模型和力场参数,通过模拟得到100kPa以下的过量吸附等温线的结果与文献的实验结果进行比较,显示与实验值吻合很好,证明我们选用的模型和使用的参数的合理性和正确性。2.在参数、模型合理正确的前提下,用模拟的方法计算得到77K温度下,0.1到8000kPa的过量吸附等温线,吸附等温线告诉我们,在2000kPa以下氢气的过量吸附量随压力增大快速上升,在2000kPa左右氢气在ZIF-8中吸附达到平衡,在大于2000kPa过量吸附量开始随压力增大而略有减小。在接近饱和时的压力下,氢气吸附量与实验值存在6.7%的偏差,这一偏差是在允许的范围之内,这说明了模拟结果与实验数据能够很好的吻合,也进一步证明我们选用的模型和使用的参数较合理。3.利用材料断层成像技术(mCT)研究氢气在ZIF-8中的吸附位点。77K时氢气第一吸附位点位于2-甲基咪唑环附近并且靠近碳碳双键,这和中子散射的实验结果一致,我们所发现有新的吸附位点在咪唑环的另外一侧,并且两吸附位点关于咪唑环对称。该类吸附位点称之为“咪唑环吸附位点”(IM Sites),第二吸附位点在ZIF-8中锌六元环中心的孔道,命名为“孔道吸附位点”(ChannelSites)。4.我们把氢气在ZIFs中的吸附位点特征与MOF进行对比,发现了一些重要的不同。ZIF-8中氮原子附近的空间位阻效应和sp~2杂化的碳原子有较高的电负性导致氢气分子吸附到碳碳双键。这暗示了另外一种策略来设计新的氢气存储材料,ZIFs材料具有可裁剪性可以在温和的温度和压力下储存更高量的氢气分子。5.为了讨论ZIFs中不同中心原子对氧气吸附产生影响,选取了ZIF-8和ZIF-67,ZIF-11和ZIF-12两组ZIFs对比。在77K的温度下,含有Zn原子的ZIF-8和ZIF-11吸附氢气量都分别略大于ZIF-67和ZIF-12。不同的中心原子对ZIFs的吸附量影响不大。6.通过mCT方法研究了氢气在ZIF-8和ZIF-67,ZIF-11和ZIF-12中的吸附位点状况。对比ZIF-8和ZIF-67吸附氢气后位点的分布,当Co原子取代ZIF-8中的Zn原子后,氢气的吸附位点并没有增加或减少,主要的吸附位点仍然在C=C双键附近,但是这个主要的吸附位点的位置稍微有点变化,即ZIF-67中氢气主要吸附位点更靠近金属。最后对比ZIF-11和ZIF-12随压力升高,它们的吸附位点变化情况,随着压力的增加,ZIF-11和ZIF-12吸附氢气分子的量也增加,它们的主要吸附位点几乎不变,但是次级吸附位点随压力增大越来越不清晰。