有序介孔碳材料CMK-3吸附性能的分子模拟研究

摘要

大量的能源消耗与温室效应的加剧,迫使各国研究人员加速研发高效存储甲烷氢气能源和捕捉二氧化碳气体的技术,吸附技术相对于传统的气体液化和压缩技术在操作安全性、低成本和能源效率方面具有一定的优势,因此制备新型的多孔材料并应用于气体吸附和分离的研究成为学术研究的热点,有序介孔碳材料CMK-3是Ryoo等人在1999年利用模板碳化技术,以蔗糖为碳源,以介孔硅材料SBA-15为模板制得的介孔碳材料,具有孔道结构规则有序、孔径分布狭窄、孔径大小连续可调、比表面积较高和水热稳定性较好等特点,有望在气体吸附、混合气体分离、催化和光电磁等领域得到广泛应用。
　　 目前研究者已对CMK-3材料的吸附性质开展了一些实验和模拟工作,本文在前人的基础上运用分子模拟中的巨正则蒙特卡洛方法(GCMC)对CMK-3材料中纯甲烷、二氧化碳和氮气的吸附行为进行研究分析。近年来基于双位Langmuir-Freundlich模型(DSLF)的理想吸附溶液理论(IAST)被广泛应用在碳材料的吸附分离研究中,我们则利用该方法进一步对常温下CMK-3对二元混合气体的分离效果进行研究。
　　 利用巨正则蒙特卡罗(GCMC)模拟,对天津大学ZHOU等实验制得的CMK-3材料进行纯气体吸附性能的模拟分析,结果表明CH4和CO2纯气体存储的较优温度和压力为208K、4MPa和298K、6MPa,其最大超额吸附量分别为10和15mmol／g；同时在已有的模拟参数基础上对CMK-3的结构参数进行优化,结果表明,温度298K,当CMK-3的结构参数为a=6nm,w=3.0nm时,CMK-3材料对甲烷的超额吸附量在压力为15MPa时,可以达到9.6mmol／g；当a=6nm,w=2.5nm时,CMK-3对二氧化碳的超额吸附量在压力为5MPa时,可达到20.76mmol／g。基于双位Langmuir-Freundlich(DSLF)模型,使用理想吸附溶液理论(IAST)预测了不同二元混合物在CMK-3中的分离行为,发现吸附选择性SCO2／CH4与SCH4／N2比较接近,在298K和4MPa下约等于3,而N2-CO2体系中的CO2吸附选择性较高,可达到7.5,说明CMK-3是一种适合吸附分离天然气组分的碳材料。

目录

文摘

英文文摘

Contents

第一章 绪论

1.1 前言

1.2 有序介孔材料的背景介绍

1.3 有序介孔材料的分类

1.3.1 硅系介孔材料

1.3.2 非硅系介孔材料

1.4 有序介孔碳材料CMK-3的制备

1.5 介孔材料的应用

1.5.1 生物与医药领域

1.5.2 环境保护领域

1.5.3 化工领域

1.5.4 其它应用领域

1.6 本文工作组成

第二章 分子模拟

2.1 分子模拟简介

2.2 分子模拟技术细节

2.2.1 周期边界条件

2.2.2 分子模拟中的系综

2.3 蒙特卡洛模拟(MC)

2.4 METROPOLIS方法

2.5 巨正则蒙特卡洛模拟(GCMC)

第三章 吸附选择性

3.1 双LANGMUIR模型拟合

3.2 吸附选择性

第四章 模拟预测结果分析

4.1 CMK-3材料模型化

4.2 理想化势能模型

4.3 有效势能模型

4.4 GCMC模拟细节

4.5 GCMC模拟吸附数据分析

4.5.1 势能函数检验

4.5.2 CMK-3结构参数微调

4.5.3 确定有效势能参数kfw

4.6 纯组分气体吸附存储的优化

4.6.1 优化吸附温度与压力

4.6.2 优化CMK-3结构参数

4.7 二元混合物的吸附分离

4.7.1 IAST方法的验证

4.7.2 等摩尔比下的吸附选择性

4.7.3 不同摩尔比下的吸附选择性

第五章 总结与展望

5.1 本文总结

5.2 进一步的工作

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

作者及导师简介

硕士研究生学位论文答辩委员会决议书