金属-有机骨架材料MOF-5的改进与吸附甲烷的巨正则蒙特卡罗模拟

根据金属-有机骨架材料(MOFs)的设计思想,在MOF-5(对苯二甲酸为桥联配体,Zn4O金属簇为中心的配位化合物)的基础上设计了10种以Zn4O金属簇为中心(Corner),以不同基团单取代的对苯二甲酸(BDC)衍生物为桥联配体(Linker)的多孔材料.用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法,计算了这些材料在298K、1-10MPa条件下对甲烷的吸附量,讨论了不同取代基与甲烷吸附量的关系.结果发现,在298K、3.5MPa时甲烷的吸附量主要取决于吸附热,并且以硝基取代的配体构成的MOF分子吸附甲烷效果最好.在此基础上,进一步设计了以四硝基取代对苯二甲酸为桥联配体的MOF-4NO2,该结构在相同条件下对甲烷的超额吸附量为209cm3·cm-3,总吸附量达到228cm3·cm-3,比美国能源部(DOE)提出的甲烷吸附材料应用要求标准高26%.

基于蒙特卡罗的硫化氢吸附-扩散机理

为了明确硫化氢(H_(2)S)在煤中吸附扩散的微观动力学机理,揭示不同温度、压力对煤吸附H_(2)S分子吸附扩散特性的影响机制,基于巨正则蒙特卡罗(GCMC)、分子动力学(MD)和密度泛函理论(DFT)方法,利用Material Studio软件研究了温度在273.15~313.15 K、压力1~1 000 kPa时H_(2)S在气肥煤大分子模型中的吸附扩散特征。结果表明:温度由273.15 K升至313.15 K时,H_(2)S的饱和吸附量由38.34 mL/g降至31.85 mL/g,降低了16.93%,当压力为1 kPa时,温度对吸附量的影响最为敏感。温度为293.15 K时,压力由1 kPa升至1 000 kPa时,最可几相互作用能由-39.391 kJ/mol升至-34.301 kJ/mol,随着压力的增加,最可几相互作用能先快速增加,后缓慢增加。在吸附H_(2)S过程中,H_(2)S的等量吸附热在36.63~41.43 kJ/mol内,为物理吸附,等量吸附热随着吸附量的增加呈现出负指数变化;H_(2)S的吉布斯自由能ΔG为-3.57~-24.57 kJ/mol,吸附熵ΔS为-0.126~-0.194 8 kJ/(mol·K),随吸附量升高ΔG和ΔS的绝对值线性降低,H_(2)S的吸附自发性和系统的混沌程度均降低。H_(2)S与气肥煤的相互作用能为-492.47~-3 390.95 kJ/mol,以范德华能为主,占总能量的58.67%,以静电能为辅,占41.33%,随着吸附量的增加,相互作用能绝对值增加,吸附量与相互作用能的变化具有一致性。H_(2)S与羧基的相互作用最强,羟基次之,H_(2)S在—OH、—COOH、—C=O周围存在双层吸附。温度由273.15 K升至313.15 K,H_(2)S分子的扩散系数由1.066×10^(-10)m^(2)/s升至2.025×10^(-10)m^(2)/s,温度升高会导致原本闭合的孔吼孔道打开,增加裂隙的连通性,温度升高,增加H_(2)S分子平均自由程,使得H_(2)S扩散能力增强,H_(2)S扩散活化能为11.206 kJ/mol。H_(2)S相对体积分数分布呈现多峰结构,H_(2)S在气肥煤大分子模型中呈层状结构分布。H_(2)S的极限吸附热为42.898 kJ/mol,H_(2)S与煤体上—OH、—COOH、—C=O活性基团产生氢键作用,H_(2)S在吸附初期存在微弱的化学吸附。

巨正则系综蒙特卡罗法研究异丙醇在活性炭上的吸附特性

采用巨正则系综蒙特卡罗模拟方法研究活性炭狭孔对异丙醇的吸附行为。分别从压强、活性炭狭缝宽度、温度三个方面考察了对吸附的影响。模拟结果表明对于活性炭吸附异丙醇体系,炭狭缝孔模型能可靠地描述其吸附情况,在压强为1KPA时,炭狭缝孔宽度为1．7NM时吸附量较高;而当压强在2-4 KPA时,则孔宽为2NM时吸附量较高;若压强在4-10KPA变化时,则孔宽为 2．5NM时吸附量较高。加热解吸回收异丙醇和活性炭的最佳温度应为140℃左右。

噻吩分子及其与异辛烷二元混合物在MCM-22分子筛中吸附的蒙特卡罗模拟

应用巨正则蒙特卡罗模拟方法研究了噻吩分子以及噻吩与异辛烷混合物在MCM-22分子筛中的吸附和分布.通过模拟获得了噻吩分子在MCM-22分子筛中不同温度(298、363和393K)下的吸附等温线和等量吸附热,以及298K时噻吩和异辛烷分子二元混合物在MCM-22分子筛中的吸附及分布情况.结果表明,吸附温度和吸附压力对噻吩分子在MCM-22分子筛吸附都有影响,但等量吸附热受温度和吸附量影响较小.对于二元混合物的吸附,噻吩和异辛烷在分子筛中存在竞争吸附过程,噻吩能够大量吸附在MCM-22分子的十元环和超笼中,而异辛烷主要吸附在MCM-22分子筛的超笼系统,从而可以将噻吩分子与异辛烷分子分离开来.

H2在二维共价有机骨架上吸附的蒙特卡罗模拟研究

使用巨正则蒙特卡罗方法预测H2分子在六种具有不同结构和组分的二维共价有机骨架材料(2D COFs)中的物理吸附行为.研究结果表明:(1)在所研究的温度和压力范围内,ILCOF-1表现出最优异的氢存储性能,是目前2D COFs中储氢量最高的材料之一;其它5种COFs的储氢量低于其它2D COFs中储氢量较高的COF-5,-8,-10和TP-COF,而与COF-1,-6和Pc-PBBA COF相差不多.(2)与3D COFs相比,本文所研究的所有COFs的储氢量均低于目前储氢量最高的COF-105和COF-108;除ILCOF-1外,其它5种COFs材料均低于COF-102和COF-103.根据模拟计算的结果,分析了表面积、孔直径和等量吸附热等因素对COFs储氢性能的影响.对COFs储氢能力的强化提出了一些建设性意见.

苯与丙烯在β分子筛上吸附行为的蒙特卡罗研究

采用巨正则统计系综蒙特卡罗模拟方法研究了β分子筛上苯与丙烯分子的吸附行为.由分子筛内吸附质粒子云分布可知,在100kPa时,丙烯在分子筛上的吸附量要远远大于苯的吸附量.由吸附相互作用能分布来看,苯与分子筛之间相互作用能比丙烯与分子筛之间的相互作用能更负,这就使苯分子的吸附相对于丙烯分子稳定.相对而言,温度变化对丙烯吸附影响远大于对苯吸附的影响,如100kPa时,温度由298K升高至443K导致丙烯分子吸附量明显减少,由每8个晶胞吸附98个丙烯分子减少到80个;而对苯分子吸附却没有显著的影响.β分子筛上存在着苯和丙烯的竞争吸附,并且吸附分子之间存在相互作用使两者与分子筛之间的相互作用能分布改变.在压力范围1×10-3～5.0kPa,不同温度下苯与丙烯在分子筛内吸附等温线的模拟结果表明,在较高温度、较低压力下丙烯的吸附量要小于苯的吸附量.

芳香类化合物在ITQ-1分子筛中吸附特性的蒙特卡罗模拟

用巨正则统计系综蒙特卡罗模拟研究了苯、甲苯以及间二甲苯分子在ITQ 1分子筛中的吸附特性 .从这 3种分子的粒子分布云图上 ,可发现分子的扩散和吸附主要在十二元环超笼内发生 ,在十元环通道内的吸附和扩散则相对较难 .从一系列不同压力下的蒙特卡罗模拟还预测了 3种分子的吸附等温线 ,预测结果与实验结果相符 .这 3种分子在一定压力下 ,都可通过十元环通道或连接十二元环超笼的十元环窗口到达分子筛孔道内部 ,达到较好的吸附平衡状态 .

气态碘在COF-103上吸附的理论研究

采用第一性原理和巨正则蒙特卡罗方法,模拟研究了气态碘分子(I2)在共价有机框架材料(COF-103)中的吸附行为,并讨论了气态氧化物、氯化物和挥发性有机化合物(VOCs)等杂质气体的竞争吸附影响.结果表明,I2偏向以垂直方式吸附于COF-103苯环的碳原子位,其中,长程色散相互作用具有重要的贡献,色散能在吸附能中的占比最多可达46%.I2与COF-103之间存在少量电荷转移,且可能形成具有弱共价相互作用的次级键.杂质气体中苯分子(C6H6)的吸附能和等量吸附热最大,与COF-103的亲和性最强,并且可以占据I2的吸附位点,从而引起I2吸附量的显著降低.

高连通性硼氮COFs材料设计及其甲烷吸附性能模拟研究

采用密度泛函理论(DFT)方法,基于立方体构筑单元(—B_(4)N_(4)O_(12)—)理论设计得到了5种新型高连通性硼氮共价有机骨架(BN-COFs)材料。对5种材料结构进行理论表征,并采用巨正则蒙特卡罗(GCMC)方法模拟研究了250K、298K和350K(K=273.15℃)温度下材料对甲烷(CH_(4))的吸附性能。结果表明:5种材料中BN-COF-5对CH_(4)的吸附性能最佳,在250K、298K和350K下的最大CH_(4)吸附量分别为237.41cm^(3)(STP)/cm^(3)、177.76cm^(3)(STP)/cm^(3)和117.86cm^(3)(STP)/cm^(3),最大工作容量(298K,65bar→5bar)为119.46cm^(3)(STP)/cm^(3)。CH_(4)分子在骨架中的质心密度分布结果表明,CH_(4)的最佳吸附位点处于(—B4N4O12—)团簇以及线性配体形成的角落附近。所设计的高连通性BN-COFs具有良好的CH_(4)吸附性能,可为实验上研究开发新型CH_(4)吸附剂提供一定的理论参考。

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。

分子模拟研究苯酚在大气冰表面的吸附行为

苯酚是大气中重要的有毒污染物,然而其在大气冰表面的吸附行为仍不明确.本研究使用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟方法,基于TIP5P水力场和优化的苯酚力场,模拟了温度200 K条件下,苯酚在六边形(Ih)冰0001表面的吸附行为.研究表明,苯酚在冰表面的吸附等温线具有两个平台期,达到第一个平台期后,苯酚单层吸附饱和并进入快速增长期,随后至吸附凝结点,达到第二个平台期.当苯酚分子吸附量较小时,苯酚独立地吸附在冰表面,吸附行为符合Langmuir吸附类型;随着苯酚分子吸附量增加,冰表面的苯酚分子间产生相互作用,导致偏离了Langmuir吸附等温线.在不同吸附量情况下,苯酚与冰表面分子形成的氢键类型均是以苯酚—OH上的氢原子与冰表面氧原子之间形成的氢键为主.

气体分子在煤结构与煤矸石狭缝结构中的渗透扩散模拟

为了分析不同气体在煤矸石山中的渗透规律,构建了SO_(2)、NO_(2)、O_(2)、N_(2)和O_(3)等气体分子以及煤和煤矸石狭缝的结构模型,采用巨正则蒙特卡罗方法及分子动力学模拟方法计算了5种气体分子在煤和煤矸石模型中不同环境下的渗透作用。研究结果表明:气体分子吸附在2种模型上的总能量均随着压力的升高出现先增大后趋于平缓的规律,且各气体分子以物理吸附为主,吸附能力强弱顺序为SO_(2)>O_(2)>O_(3)>N_(2)>NO_(2),SO_(2)的吸附作用最强,NO_(2)的扩散作用最强;通过对比各气体间的混合扩散效果,发现混合后各气体分子间出现聚集现象,且浓度分布和渗透系数大小都遵循O_(2)+N_(2)+SO_(2)+NO_(2)+O_(3)>SO_(2)+NO_(2)+O_(3)>O_(2)+N_(2)>单一组分气体,说明气体分子间存在一定的相互作用,利于扩散作用,削弱吸附作用,最终增强气体间的渗透能力;同时,也印证了混合气体的组分越多,各气体分子的渗透作用越强。

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.

甲烷在AFS型分子筛中的吸附模拟

采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法模拟了甲烷分子在AFS型分子筛中的吸附量,并和Düren等人(Langmuir,2004,20:2683)设计的金属有机骨架中的甲烷吸附量进行比较,发现AFS型沸石分子筛对甲烷分子有很好的吸附性能,AFS型分子筛是中低压吸附储存天然气系统中的一种比较理想的吸附剂.采用DubininAs-akhov(DA)微孔分析方法,分析了沸石结构对甲烷储量大小的影响,总结了影响甲烷储量大小的物理因素.

碳纳米管物理吸附储氢的势能效应与空间效应

采用巨正则蒙特卡罗方法模拟氢分子在碳纳米管及其阵列中的存储过程。通过定量分析计算结果,指出碳纳米管储氢的物理吸附机制,可用势能效应和空间效应描述。势能效应源于碳氢和氢氢之间的相互作用,空间效应则来自碳纳米管及其阵列的中空结构。利用两种效应的最佳组合,可获得理想的储氢效果。

石英吸附甲烷的蒙特卡罗研究

利用巨正则蒙特卡罗模拟方法对甲烷在石英中吸附行为进行了研究,并讨论了不同孔径、不同温度、不同含水量和不同组成对甲烷在石英中吸附行为的影响。研究结果表明:甲烷超额吸附量随着压力的增大而先上升后下降,且随着孔径增大逐渐减小;甲烷与石英相互作用能随着压力增大或孔径减小而减小,说明甲烷在孔中吸附逐渐由能量较高的吸附位向能量较低的吸附位转移;随着温度升高,甲烷等量吸附热减小,甲烷在孔中吸附逐渐由能量较低的吸附位向能量较高的吸附位转移,造成甲烷在石英孔中吸附能力降低,导致甲烷吸附量减小;水分子在孔中以定向方式占据着石英孔壁面,且受到范德华力和静电能共同作用在孔中以堆积形式存在;随着含水量增加,甲烷分子在孔中吸附位并没有随着发生变化,即水分子只占据甲烷分子吸附空间,造成甲烷吸附量减小;气体与石英间相互作用能量大小顺序为氮气>甲烷>二氧化碳,则石英上吸附能力大小的顺序为二氧化碳>甲烷>氮气;多组分竞争吸附中,甲烷在气相中摩尔分数降低、甲烷分子吸附位变化以及甲烷吸附空间减小,综合作用导致了甲烷吸附量减小。

结构与尺寸对碳纳米管物理吸附储氢的影响(英文)

采用巨正则蒙特卡罗方法,在298K和10MPa下,系统地研究了碳纳米管及其阵列的物理吸附储氢量与单壁管的管径、多壁管的层间距和管层数、单壁管阵列的管间距和排列方式的关系.发现单壁管的管径等于6nm时,管内的储氢密度达到最大;多壁管的层间距由0 34nm增大至0 61或0 88nm时,物理吸附储氢量明显增大;单壁管阵列的管间距等于1 7nm时,其管外间隙处的储氢密度达到最大,且方阵阵列优于三角阵列;当单壁管阵列的管间距大于0 6nm时,其管外的储氢密度均大于管内的储氢密度.指出合理地选择单壁管的管径、多壁管的层间距、单壁管阵列的管间距和排列方式,可以有效地提高碳纳米管及其阵列的物理吸附储氢量,并给出了相应的理论解释.

碳纳米管阵列储氢的物理吸附特性

采用巨正则蒙特卡罗方法,在室温、100大气压下对以方阵和三角方式排列的碳纳米管阵列的物理吸附储氢进行计算机模拟,发现氢分子可被吸附于碳纳米管阵列的管内和管外,管外的储氢密度普遍高于管内,方阵阵列优于三角阵列,并给出了相应的理论解释。

碳纳米管固相微萃取涂层吸附性能研究

利用空气氧化和稀酸回流纯化单壁碳纳米管,用高分辨透射电镜、拉曼光谱对碳纳米管进行了表征.在分子模拟中,非极性氢气、甲烷分子采用单点Lennard-Jones球形分子模型,流体分子与C原子之间相互作用采用虚拟原子模型.以液氮温度下碳纳米管对氮气的吸附等温线实验数据为依据,利用巨正则蒙特卡罗方法模拟得到了碳纳米管的孔径分布,主要集中在6nm.计算了常温常压下碳纳米管中甲烷及氢气的吸附等温线,298K及0.1MPa压力下,氢气的吸附量达到0.015%(质量分数),甲烷在样品中的吸附量可以达到0.5%(质量分数).模拟研究结果表明碳纳米管可以用作固相微萃取涂层材料.

BC_3复合纳米管的储氢性能研究

采用巨正则蒙特卡罗方法(GCMC)研究了BC_3复合纳米管的物理吸附储氢性能,获得了该纳米管在不同温度和压强下的吸附等温线,及其在不同条件下的物理储氢吸附量,并和相应的碳纳米管进行了对比研究.结果表明,BC_3纳米管在所有条件下的储氢性能均优于相应的碳纳米管,因而它是一种比碳纳米管更强的氢存储介质,并从纳米管和H_2分子以及H_2分子和H_2分子之间的平均总相互作用能的分布情况等因素出发解释了这两种纳米管有不同储氢行为的原因.