纳米尺度微孔物理吸附的分子动力学模拟

【摘要】： 本项工作隶属于国家重点基础研究发展规划（973）项目“关于节能问题的若干科学问题”。 资料表明，经典传热传质学的连续介质传递理论在解释和预测纳米尺度微孔吸附/脱附过程的相变特征方面，存在局限性，相比之下，分子动力学模拟能克服这一缺陷再现纳米微孔中的吸附过程。本文从理论分析和实验研究两方面对纳米微孔中的平衡吸附进行了研究。 本文采用分子动力学模拟（MD）方法分别对不考虑固体壁面分子结构的纳米圆柱孔的平衡吸附和考虑有分子结构固体壁面的纳米圆柱孔（纳米碳管）的吸附过程进行了模拟，并用实验进行了验证。 对于不考虑固体壁面分子结构的圆柱形纳米微孔的平衡吸附，建立了包括势缓冲区在内的单元体模型，引入了表示整个微孔壁面与吸附质分子相互作用的新型壁面势方程，并对3-5nm孔径圆柱型微孔中的平衡吸附进行MD模拟，得到了在不同汽相压力下的分子位形图谱及相应的吸附等温线并对其进行了分析。分子位形图清楚地显示了吸附相凝聚态的团簇分子结构。 对于考虑固体壁面有分子结构的碳纳米管，引入了更接近实际的分子间作用势函数及周期边界条件，对孔径为1.912nm的碳纳米管的吸附过程进行了模拟，得到了相应的分子位形图及吸附等温线。 为了检验本文中分子模拟的结果，本文选择了具有较为均匀孔径分布的MCM41型中孔分子筛作为研究对象，实验得到了其吸附等温线。与分子模拟得到的吸附等温线相比，结果具有可比性，并对其差别作了分析。