本发明专利技术提供了一种基于分子模拟预测用于盐湖提锂的共价有机框架性能的方法，所述的方法包括：(Ⅰ)设定包含水分子、镁离子和锂离子的水盒子，将水盒子与COF分离膜组合并构建COF盐水模型盒子，对COF盐水模型盒子的结构进行优化后，按照实际的盐水密度设定COF盐水模型盒子的密度；(Ⅱ)对设定好的COF盐水模型盒子进行分子动力学模拟，模拟结束后统计镁离子和锂离子在COF分离膜的孔道内的传递速度，根据镁离子和锂离子的传递速度计算分离因子。通过本发明专利技术提出的利用分子模拟的方法预测镁锂分离性能的方法，可以在有限的时间内快速的判断出一种COF镁锂分离的效果。一种COF镁锂分离的效果。
【技术实现步骤摘要】
一种基于分子模拟预测用于盐湖提锂的共价有机框架性能的方法
[0001]本专利技术属于分子模拟
，涉及，尤其涉及一种基于分子模拟预测用于盐湖提锂的共价有机框架性能的方法。
技术介绍
[0002]锂离子电池作为一种环境友好、效率高、可重复使用的新能源，正广泛的应用于军事领域、轨道交通等方面。锂资源作为锂离子电池中的重要组成部分，其需求量正以每年8％左右的需求量上升，导致其价格也在不断升高。目前已经探明，全球有70％的锂资源都蕴藏在盐湖当中，因此盐湖提锂是国内外获得锂资源的主要途径。我国盐湖中锂资源的储量位居世界第二，但是存在高镁锂比的问题制约了锂资源的获取，因此如何实现镁锂分离则成为了一个关键的问题。在所有盐湖提锂的方法中，膜分离是一种最为绿色的技术，符合我国新时期的环境方针政策，但是目前的商业膜的分离性能不高，增加了镁锂分离的成本。因此，设计一种高通量、高镁锂分离性能的新型膜材料至关重要。
[0003]近年来，共价有机框架(COF)材料正受到研究者的广泛关注。由于其具有高度有序孔道结构、孔径可调、易于功能化修饰等特点，被认为是一种理想的用于盐分离的膜材料。但是COF的种类众多且属于纳米材料，如果在实验中采取试错法进行镁锂分离性能尝试，无论在合成还是表征上都会耗费极大的精力和金钱。
[0004]分子模拟是指利用理论方法与计算技术，模拟或仿真分子运动的微观行为，利用适当的简化条件，将原子间的作用等效为质点系的运动，从而避免了求解繁琐的量子力学方程。原子的运动遵从牛顿第二定律，质点系整体遵从哈密顿原理。与之对应，完全从量子力学出发进行的原子计算称为“第一性原理(ab into)计算”。第一性原理计算虽然精度高，但是计算复杂，难以实现大规模的模拟。而分子模拟则在保证精度的同时，大大扩展了原子的计算机模拟的使用范围。第一性原理计算通常不过几十、几百个原子，而分子模拟甚至可以实现百万甚至千万个原子的运算。由于分子模拟不但高效而且能够有效地节约成本，因此广泛的应用于医药、化工、材料等学科。
[0005]CN111307684A公开了一种用于计算微纳米孔隙中气体渗透率的分子模拟方法，在高压区H区域进行巨正则蒙特卡洛模拟，使初始条件达到平衡；进行分子动力学模拟，使H区的气体分子在压差作用下不断通过孔隙向L区流动；体系流动达到平衡后，采用统计学方法对通过孔隙的气体分子数N进行统计。本专利技术采用非平衡分子动力学模拟方法，提出的建模方法可以模拟气体在不同温压条件下在微纳米孔隙中的流动，通过统计学方法统计气体分子数量，直接计算渗透率。
[0006]CN108959844A公开的一种采用分子模拟方法评价聚合物材料流动性能的方法，包括：根据待测聚合物的重复单元，搭建待测聚合物的单链结构；根据聚合物的结构参数和配方组分等搭建聚合物的体相结构模型；对体相结构模型依次进行构型的初次驰豫、NVT系综全局最优构型的初次筛选，构型的再次驰豫，NPT系综全局最优构型的二次筛选，NVT及NPT
系综的降温退火模拟,使模型的构型和密度充分平衡，得到第二结构数据；对第二结构数据进行充分的动力学平衡，得到动力学轨迹数据；对动力学轨迹数据进行应力自相关函数分析，测试黏度数据的有效性，得到待测聚合物的可靠的剪切黏度数据。
[0007]CN104899356A公开了一种定量分析金属卟啉MOFs材料CO2/CH4分离效率的方法。本专利技术方法是基于量子化学密度泛函理论计算和蒙特卡洛分子模拟来定量分析金属卟啉MOFs材料CO2/CH4的分离效率。通过确定探针分子与不同金属卟啉配体的相互作用能，吸附热，定量分析CO2与金属卟啉MOFs材料间的相互作用情况，最后通过CO2/CH4吸附选择性的计算表征不同金属卟啉MOFs材料的CO2/CH4分离效率和特性。该方法包括团簇模型构建、稳定构型的结构优化和部分电荷的计算、CO2/CH4分离系数的计算、吸附能和吸附热的计算及CO2/CH4分离效率的分析与表征步骤。
[0008]目前通过分子模拟研究COF有关镁锂分离性能的工作还暂未有报道。
技术实现思路
[0009]针对现有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于分子模拟预测用于盐湖提锂的共价有机框架性能的方法，通过本专利技术提出的利用分子模拟的方法预测镁锂分离性能的方法，可以在有限的时间内快速的判断出一种COF镁锂分离的效果。
[0010]为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0011]本专利技术提供了一种基于分子模拟预测用于提锂的共价有机框架性能的方法，其特征在于，所述的方法包括：
[0012](Ⅰ)设定包含水分子、镁离子和锂离子的水盒子，将水盒子与COF分离膜组合并构建COF盐水模型盒子，对COF盐水模型盒子的结构进行优化后，按照实际的盐水密度设定COF盐水模型盒子的密度；
[0013](Ⅱ)对设定好的COF盐水模型盒子进行分子动力学模拟，模拟结束后统计镁离子和锂离子在COF分离膜的孔道内的传递速度，根据镁离子和锂离子的传递速度计算分离因子。
[0014]本专利技术采用分子动力学模拟可以有效预测COF分离膜对于镁锂分离的分离因子，可以在有限的时间内快速的判断出一种COF分离膜对于镁锂分离的分离效果。不但可以有效减少因实验带来的成本消耗，而且还可以模拟因相关设备和材料的限制等无法准确进行和完成的实验，也为COF材料的设计研发和结构优化提供理论参考，缩短研发周期。
[0015]作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的水分子采用SPC/E模型或TIP4P模型进行构建。
[0016]优选地，所述的COF盐水模型盒子的力场参数选择DREIDING或CVFF。
[0017]优选地，所述的COF盐水模型盒子的计量单位选择real格式。
[0018]作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的COF盐水模型盒子的结构优化过程包括：初始结构在NVT系综下进行一个升温降温循环，时长设定为0.5～2ns，例如可以是0.5ns、0.6ns、0.7ns、0.8ns、0.9ns、1.0ns、1.1ns、1.2ns、1.3ns、1.4ns、1.5ns、1.6ns、1.7ns、1.8ns、1.9ns或2.0ns，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
[0019]在本专利技术中，NVT系综的全称是正则系综(canonical ensemble)，正则系综是蒙特
卡罗方法模拟处理的典型代表。假定N个粒子处在体积为V的盒子内，将其置于温度恒为T的巨大热库中。此时，总能量(E)和系统压强(P)可能在某一平均值附近起伏变化。平衡体系为封闭系统，与大热源热接触，能量交换达到热平衡，温度相等，热库足够大，温度确定。特征函数是亥姆霍兹自由能F(N，V，T)。NVT系综的概念为本领域技术人员所公知，对其深层理论不再赘述。
[0020]作为本专利技术一种优选的技术方案，步骤(Ⅰ)中，所述的升温降温循环过程包括：从T1升温至T2，再从T2降温至T1。
[0021]优选地，T1本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于分子模拟预测用于提锂的共价有机框架性能的方法，其特征在于，所述的方法包括：(Ⅰ)设定包含水分子、镁离子和锂离子的水盒子，将水盒子与COF分离膜组合并构建COF盐水模型盒子，对COF盐水模型盒子的结构进行优化后，按照实际的盐水密度设定COF盐水模型盒子的密度；(Ⅱ)对设定好的COF盐水模型盒子进行分子动力学模拟，模拟结束后统计镁离子和锂离子在COF分离膜的孔道内的传递速度，根据镁离子和锂离子的传递速度计算分离因子。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的水分子采用SPC/E模型或TIP4P模型进行构建；优选地，所述的COF盐水模型盒子的力场参数选择DREIDING或CVFF；优选地，所述的COF盐水模型盒子的计量单位选择real格式。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的COF盐水模型盒子的结构优化过程包括：初始结构在NVT系综下进行一个升温降温循环，时长设定为0.5～2ns。4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的升温降温循环过程包括：从T1升温至T2，再从T2降温至T1；优选地，T1设定为300K；优选地，T2设定为400～1000K，优选500～800K。5.根据权利要求1
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3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的COF分离膜两侧分别设置有一个水盒子，分别作为进料侧和渗透侧，所述水盒子的厚度＞2nm；优选地，所述COF盐水模型盒子的盐水浓度为0.5～1mol/L；优选地，所述的COF盐水模型盒子采用的边界条件为三维周期性边界。6.根据权利要求1
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4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(Ⅰ)中，所述的COF盐水模型盒子的密度设定过程包括：在NPT系综下，过膜压力设定为P1，温度设为T3，运行时长设定为H1，使得水盒子中的各个粒子在过膜压力的作用下挤压进入COF分离膜的孔道内，随后将过膜压力调整为P2，保持温度不变，运行时长调整为H2；优选地，P1设定为5～50个大气压；优选地，T3设定为300K；优选地，H1设定为0.5～2ns；优选地，P2设定为1个大气压；优选地，H2设定为0.5～2ns。7.根据权利要求1
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5任一项所述的方法，其特征在于...
【专利技术属性】
技术研发人员：胡超权，宋洋，李琳，张宇，
申请(专利权)人：中科院过程工程研究所南京绿色制造产业创新研究院，
类型：发明
国别省市：
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