氦气在氩霜表面吸附的巨正则蒙特卡洛模拟

为了从微观角度解释深冷霜在低温下对不凝性气体的吸附机理,采用巨正则蒙特卡洛方法对氦气在氩霜狭缝孔结构中的吸附过程进行模拟。研究了粒子的局部密度随压力变化的分布,获得了氦气在不同孔宽和温度条件下的吸附等温线。模拟结果表明,在相同温度和孔宽下,压力越高粒子在孔内的局部密度越大,且最大值的位置不随压力变化。在温度为4.2 K时,孔宽越大霜层对氦气分子的吸附作用力越小,当孔宽大于1.5 nm时,吸附等温线基本重合。系统的温度越低,起始的吸附压力越小。

NaX分子筛吸附分离CO_(2)/CH_(4)的巨正则蒙特卡洛模拟

采用巨正则蒙特卡洛模拟与理想吸附溶液理论相结合的方法,研究了CO_(2)、CH_(4)分子在NaX分子筛上的吸附性能。通过对比实验数据在不同吸附理论模型下的拟合结果并计算相应的吸附热,描述了CO_(2)、CH_(4)气体的吸附分离过程。结果表明,CH_(4)分子的吸附强度比CO_(2)分子弱,更贴近理想吸附;CO_(2)分子的吸附选择性随其在空气中的体积分数升高而降低,在低压条件下随温度的升高而降低。因此,低温低压更有利于CO_(2)分子的分离。

噻吩及其与烯烃在Cu(Ⅰ)Y分子筛中吸附的蒙特卡洛模拟

利用巨正则蒙特卡洛模拟方法研究了噻吩及其与烯烃混合后在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附行为,选用含噻吩质量分数为300μg/g的正壬烷为模拟油进行吸附模拟,得到噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附等温线、吸附分布照片和局部吸附构型,并分别模拟4种烯烃存在时对Cu(Ⅰ)Y分子筛脱硫效果的影响。结果表明:噻吩在Cu(Ⅰ)Y分子筛中的吸附为Langmuir型吸附,且高温不利于噻吩的吸附,同时由吸附照片观察到噻吩分子之间依靠分子间作用力相互聚集形成大的分子簇,进而填满Cu(Ⅰ)Y分子筛超笼孔道;Cu(Ⅰ)Y分子筛对噻吩具有较好的吸附选择性,而烯烃对噻吩饱和吸附量影响由大到小的顺序为环己烯>1,5-己二烯>1-己烯>1-辛烯,同时从微观吸附构型可以看出环己烯与噻吩存在竞争吸附。

分子模拟活性炭的方法及其应用进展

介绍了分子模拟和传统吸附理论的关系,综述了使用巨正则蒙特卡洛模拟和密度泛函理论方法对活性炭结构的研究,归纳了近年来分子模拟技术在作为特殊吸附剂的活性炭的理论设计、吸附性能预测和指导表面基团改性方面应用过程中的研究进展。目前对活性炭微观孔结构的分子模拟研究,多停留于理论层面的模拟研究,而缺少对微观结构和宏观性质之间关系的分析。在实际应用中结合发挥分子模拟微观层面分析的优势,是分子模拟技术在活性炭研究中的重要发展方向。

多孔金属有机骨架材料储氢性能分子模拟

采用优化的DREIDING力场参数,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对H2在IRMOF-1、IRMOF-61和IRMOF-62共3种金属有机骨架(MOFs)材料中的吸附平衡性能进行了比较研究.结果表明,该力场能够在全压力范围内很好地复制H2在IRMOF-62材料中的等温吸附曲线;但对低压下H2在IRMOF-61中的等温吸附曲线预测出现低估.与IRMOF-1相比,具有互穿骨架结构的IRMOF-61和IRMOF-62材料在常温下的储氢能力并无明显提高.进一步比较77 K时100 kPa、3.0 MPa下H2在上述MOFs材料中达到吸附平衡时的几率密度分布发现,H2会优先吸附在Zn4O骨架附近靠近苯环的位置;对具有互穿结构的MOFs材料而言,由于其孔腔尺寸缩小,使得H2优先吸附位区域零散化.适当长度的有机配体形成的互穿骨架结构能增强与H2分子之间的相互作用,具备较高的储氢能力;而有机配体尺寸过长则会增加骨架结构中H2吸附死角,对H2的吸附能力反而出现下降.

碳纳米管储氢性能的计算机模拟

采用巨正则蒙特卡罗(GCMC GrandCanonicalMonteCarlo)方法[11],系统地研究了锯齿(Zigzag)型单壁碳纳米管(SWNT SingleWalledCarbonNanotubes)的储氢性能,得到了管径和管长与储氢能力的关系曲线,给出了氢在碳纳米管中的分布,并对碳纳米管储氢能力的表征提出了建设性意见.

密度泛函与分子模拟计算介孔孔径分布比较

用巨正则系综MonteCarlo模拟(GCMC)方法和密度泛函理论(DFT)结合统计积分方程(SIE)计算了介孔材料的孔径分布.为比较这两种方法,以77K氮气在介孔活性碳微球中的吸附数据为依据,求出其孔径分布.在GCMC模拟和DFT计算中,流体分子模型化为单点的Lerrnard-Jones球;流体分子与吸附剂材料之间的作用采用平均场理论中的10-4-3模型.在DFT方法中,自由能采用Tarazona提出的加权近似密度泛函方法(weighteddensityapproximation,WDA)求解.结果表明,对于孔径大于1.125nm的介孔材料,GCMC和DFT两种方法都可以用来研究介孔材料的孔径分布;对于小于1.125nm的介孔材料,不能用DFT方法计算孔径分布(DFT方法本身的近似产生了误差),只能用分子模拟方法.

单壁碳纳米管中甲烷吸附的分子模拟

采用巨正则系综Monte Carlo方法研究了甲烷在单壁碳纳米管(Single wall carbon nanotube, SWNT)中于低温 74.05 K下的吸附等温线及吸附机理,发现在两个较小的孔径(1.225 nm和1.632 nm)下单壁碳纳米管中甲烷的吸附有着明显的微孔所独有的'填充效应',而在2.04 nm 以上的孔的吸附中会出现毛细凝聚现象.通过模拟知道发生毛细凝聚的必要条件是孔内能至少容纳下两层粒子.此外还导出在恒定温度下毛细凝聚吸附量与SWNT孔径的关系.本文还模拟了常温300 K下甲烷在SWNT内的吸附,对比了2.04 nm和4.077 nm两种孔径的SWNT吸附甲烷的等温线,推荐在4.077 nm孔中的适宜吸附存储压力为5.0～6.0 MPa,吸附质量分数可达16%～19%.

碳纳米管吸附分离CH_4/N_2二元混合物的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛模拟与理想吸附溶液理论相结合的方法研究了CH_4、N_2及其混合物在(6,6)碳纳米管簇内的吸附性能。探讨了压力、温度及气相组成对混合物分离性能的影响。CH_4选择性在9.4~10.8变化,并随着压力的升高呈现出先略微上升后下降的趋势。IAST模型可很好地预测压力及气相组成对混合物分离性能的影响,平均相对偏差分别为2.12%和1.49%。此外,随着温度由300 K升高至500 K,CH_4选择性降低了63.19%。

多层石墨炔-4纳米材料吸附分离H_2S/CH_4混合物的分子模拟研究

采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)方法探讨了等物质的量H_2S/CH_4二元混合物在多层石墨炔-4结构内的吸附分离性能。模拟结果表明,由于H2S与其它吸附质及吸附剂分子间的强相互作用,致使混合物中CH_4组分的吸附量与纯组分相比显著降低。常温下H_2S的选择性随着压力的升高呈现出先快速升高后略微降低的趋势。当压力为5.2 MPa时,随着温度从300 K上升至500 K,H2S选择性从11快速降低至2.2。综上所述,多层石墨炔-4结构可作为分离H_2S/CH_4混合物的一种优良吸附剂材料。

活性炭表面官能团对苯吸附性能影响的分子模拟

利用Material Studio(MS)软件构建了具有氢基、羟基、羰基和羧基不同官能团的活性炭结构模型,并使用巨正则蒙特卡洛方法,在微观层面上分析了活性炭吸附苯分子的吸附等温线、等量吸附热、吸附作用能以及吸附构型。结果表明:活性炭中引入羧基和羰基官能团有利于提高其对苯分子的吸附量和吸附速率,且羧基的影响程度要高于羰基;而氢基和羟基的引入,不利于苯分子在活性炭中的吸附。分析原因主要是酸性含氧官能团的引入可以为苯吸附提供高能吸附位点,而羟基和氢基团分别使活性炭极性和炭密度降低,使其对苯的吸附性能下降。

锯齿状纳米管中H_2分布特点的模拟研究

本文采用巨正则蒙卡方法 (GCMC)对储氢过程作了模拟 ,通过对锯齿管 (zigzag)中大量氢气分子的研究 ,得到它在纳米管中轴向和径向分布的一些特点。

TON分子筛上丁烷异构体吸附行为的分子模拟

利用巨正则蒙特卡洛方法,对正丁烷和异丁烷在TON分子筛上的吸附行为进行模拟研究。模拟273,303,373 K下,正丁烷、异丁烷分子在TON分子筛上的单组分吸附等温线,并进行Langmuir,Langmuir-Freundlich,Toth吸附等温线模型拟合,分析其吸附势能、密度分布、吸附热等性质;然后对等物质的量比的正丁烷/异丁烷混合物的吸附进行模拟,考察丁烷异构体的吸附选择性。结果表明:正丁烷、异丁烷在TON分子筛上的吸附更符合Toth吸附模型;与异丁烷相比,正丁烷在TON分子筛上有更高的吸附量;当正丁烷/异丁烷混合组分在TON分子筛上发生竞争吸附时,正丁烷的吸附量远大于异丁烷的吸附量,可判断TON分子筛对正丁烷相比异丁烷有更好的吸附分离效果。

高价态硼磷COFs材料理论设计与储氢性能研究

采用分子力学方法,从理论上设计了五种具有lta拓扑结构的高价态硼磷共价有机骨架(BP-COFs)材料。研究结果表明五种材料均具备有利于储氢应用的结构特性,如低密度(0.52~1.17 g·cm^(-3))、大比表面积(1274.12~4033.95 m^(2)·g^(-1))和高孔隙率(0.55%~0.78%)等。使用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法预测298和77 K温度下五种材料对氢气分子的物理吸附性能,并分析了材料结构与氢吸附性能之间的构效关系,结果表明五种BP-COFs材料具有较强的氢气吸附能力。尤其是在77 K时,BP-COF-10和BP-COF-11在储氢性能方面的表现最为优异,BP-COF-10具有最高的体积储氢量52.86 g·L^(-1),BP-COF-11具有最高的质量储氢量9.90%,而且随着压强的增加,BP-COF-11的质量储氢量仍然保持较好的上升趋势,这表明本文所设计材料具有优异的储氢应用潜力。本研究将为实验上开发新型高性能储氢材料提供一定的理论参考。

金属有机骨架材料MIL-101的合成及CO吸附性能

采用水热法合成金属有机骨架材料MIL-101,并利用X线衍射(XRD)、低温N2吸附等测试手段对合成的材料进行表征。结果表明:制备的MIL-101的BET(Brunauer-Emmett-Teller)比表面积达到3 142 m2/g,孔容为1.78cm3/g。根据77 K下N2吸附等温线数据,采用巨正则蒙特卡洛法分析MIL-101的孔径分布,其分析结果与文献所报道的数据吻合。考察了CO、N2混合体系在MIL-101上的吸附性能,实验结果表明:MIL-101结构中不饱和金属Cr3+提供的活性位能从混合气体中高效吸附分离CO,而且对CO的吸附容量达到45.0 cm3/g(298 K,0.1 MPa),对CO的吸附容量约是NA吸附剂的2倍。

P/ZSM-5分子筛催化乙醇制备低碳烯烃的综合性实验

为了提高学生的综合素质和创新科研能力,设计了研究型"P/ZSM-5分子筛催化乙醇制备低碳烯烃"的计算材料学综合性实验。运用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法研究了乙醇制备低碳烯烃反应中反应物乙醇和主要产物乙烯、丙烯在不同磷负载量的ZSM-5(P/Al=0,0.5,0.7)分子筛中的吸附性质。该综合性实验的开展有助于学生熟悉实验模拟流程,掌握理论分析方法。

嵌入配位不饱和金属位对多孔芳香骨架材料储氢性能的影响

基于密度泛函理论(DFT)和巨正则蒙特卡洛(GCMC)模拟方法,系统地研究了引入配位不饱和金属位(CUS)对PAF-30n(n=1–4)材料储氢性能影响的规律。结果表明,77 K下PAF-302MgO_2_PBE100的最大过量质量储氢量达到7.97%(w);77K、10 MPa下100%醇镁功能化改性PAF-302和PAF-303的绝对储氢量分别达到9.9%(w)(65.9 g?L^(-1))和15.0%(w)(50.5g?L^(-1)),分别超过美国能源部(DOE)标准80%(64.8%)和173%(26.3%),均超过在相同条件下目前储氢性能最佳的NU-1101(9.1%(w),46.6 g?L^(-1))。即使在243 K、10 MPa下,其绝对质量和绝对体积储氢量也能分别达到5.13%(w)和34.19 g?L^(-1),占DOE质量与体积储氢标准的93.3%和85.5%,是目前为止常温储氢性能较为均衡的多孔材料之一。结合等量吸附热(Q_(st))、径向分布函数(RDF)和质心几率密度分布(MCPD)方法进一步分析,发现有机链长度增加导致孔隙率增加和体积比表面积减小,是引起多孔材料绝对质量和绝对体积储氢量此消彼长的根本原因。另外,引入CUS能提高PAFs材料对H_2分子亲和力,显著增强其体积储氢量。

光谱与光谱理论

O433.5 96031468二维Hubbard模型光电导谱的研究=Study ofphotoconductive spectra of two-dimensionalHubbard model[刊,中]/陈锋,应和平,李文铸(浙江大学物理系.浙江,杭州(310027))//低温物理学报.-1995,17(4).-313-317用巨正则量子蒙特卡洛和最大熵方法研究了二维正方格点上Hubbard模型光电导谱。在半满条件下,光电导谱呈现一能隙区。掺杂后,光电导谱在w=0处出现Drude峰,在能隙区出现一新峰。

ZIF-8材料中CH_4/H_2吸附与扩散的分子模拟

采用平衡分子动力学和巨正则系综蒙特卡洛模拟方法对多孔沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)中CH4和H2分子的吸附与扩散特性进行了比较研究.结果表明,采用柔性力场能够很好地复制ZIF-8在不同压力或温度条件下的晶体结构,也能准确地计算不同温度下CH4和H2分子在ZIF-8中的扩散系数,特别是高温下CH4分子因能够摆脱ZIF-8骨架笼口的空间限制而使其扩散系数出现大幅提升.同时,该力场也能粗略地模拟CH4和H2分子在ZIF-8中的等温吸附曲线,通过自编程序得到吸附和扩散平衡时CH4和H2分子在ZIF-8单元晶胞内的几率密度分布数据,并利用VMD软件可视化.结果显示CH4和H2分子在ZIF-8中的优先吸附位置均在大孔中心靠近咪唑环的区域,但CH4分子的优先吸附位置有两个不同层次,而H2分子的优先吸附位置只有一个层次,说明CH4和H2分子在ZIF-8中存在着不同的吸附机理.

孔隙结构对低阶煤润湿性影响的分子模拟

为在分子水平上揭示低阶煤孔隙结构对其润湿性的影响,通过对具有不同孔隙结构的低阶煤模型进行巨正则蒙特卡洛运算探究了水分子在孔隙中的吸附特点,并对上述过程得到的最稳定的低阶煤-水构型进行分子动力学模拟研究了孔隙水的微观特性.结果表明:水分子以团簇形式吸附聚集于低阶煤孔隙中,团簇尺寸随孔隙率变小而减小;同一孔隙模型对水分子的吸附是等价的,不存在吸附差异明显的吸附区域;吸附过程符合二级动力学方程,且能用Langmuir等温吸附模型更好地描述.与体相水相比,孔隙水的扩散能力明显减弱;孔隙水中H和O的排列情况没有发生变化,但排列有序性增强,孔径越小,排列越紧密;水分子与低阶煤的相互作用强度随孔隙率变小而减弱,但单个水分子与低阶煤的相互作用强度则相反.同等孔隙率下,含氧比例低的模型对水分子的吸附强度减弱.研究结果给出了低阶煤孔隙吸附水分子的微观机理,解释了孔隙润湿效应弱化途径的原理,为低阶煤浮选中孔隙润湿效应弱化方法的选择提供了理论依据.