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纳米圆柱孔材料的限定空间内流体的吸附及相行为

张现仁  
【摘要】:被限制在几个分子直径的纳米孔中的流体分子,表现出一系列不同于主体流体的物理性质。如何更好的理解有限尺寸效应,表面作用以及维数的变化的影响具有重要的理论意义。此外由于吸附是日常生活及工业单元操作中较普遍存在的一种现象,了解吸附微观机理和限定空间内流体的相行为也具有重要的实际意义。本文应用计算机模拟和密度泛函理论研究了简单流体分子在圆柱状孔MCM-41和单壁碳纳米管束(SWNTs)中的吸附及相行为。 本文提出了一个解析的势函数来描述圆柱状孔中的LJ分子壁面的相互作用势。经验证这个势模型和虚拟原子模型相一致,并在孔壁厚度趋于零的极限条件下和圆柱面的势函数吻合较好。 通过这个势函数模拟了氮气在MCM-41中的吸附等温线并与本校实验测定的氮气在MCM-41中吸附的实验数据相比较,拟合出适个表征MCM-41孔墙分子的势参数。利用这套势参数和巨正则系综Monte Carlo(GCMC)方法模拟了不同孔径和温度下甲烷在MCM-41中的吸附等温线和其在孔中的排列方式。由模拟可知,当在室温300K,压力为5.4MPa和7.1MPa时,吸附在3.525nm的MCM-41中的甲烷可达7.86mmol/g和9.75 mmol/g。。 本文比较了甲烷在MCM-41中吸附的密度泛函理论(DFT)计算和GCMC模拟结果。通过比较吋以看出,DFT计算和GCMC模拟的吸附等温线吻合较好。本文采用DFT方法计算了甲烷在不同的孔径和不同温度下的吸附等温线。研究了孔径,温度,孔墙势阱深度和孔墙厚度对吸附等温线的影响。 本文采用GCMC方法和DFT方法考察了温度和墙势作用对层状转变的影响。GCMC模拟发现当孔壁的粒子密度分别为ρ_s、(ρ_s=2.0g/cm~3)和2_sρ时,两种情况下0->1层状转变的临界点都在T~*=0.44和0.5之间。模拟表明当孔壁的粒子密度为ρ_s时层状转变处于毛细凝聚对应的回滞环中。而当孔壁的粒子密度为2ρ_s时则不处于毛细凝聚对应的回滞环中。此外在65K温度下GCMC模拟发现,这时的层状转变伴随着很窄的回滞环。总体来言,DFT和GCMC方法给出了大体相同的结论。不同的是,当孔壁内的粒子密度为2ρ_s和温度为74.05 K时,GCMC方法给出的层状转变是连续的,而DFT的计算结果表明,这时的层状转变是一 北京化工大学博士学位论文 阶相变并伴有明显的回滞环。本享应用勺分子动力学(MD)方法考察了在可熊的 o一l层状转变前的状态中流体分子的构型的变化和扩散卞卜质,以推断温度,孔 墙作用和粒子密度对LJ粒子在圆柱状孔中的排列方式以及它们所处的状态。通 过MD模拟还发现LJ粒子在圆柱状孔的表面上有明显的聚集效应,第一层未排 满前粒子不是均匀的分布在圆柱状孔的内表面上,而是分布在圆柱状孔的表面上 的流体粒子聚在一起,呈片状或簇状分布。 本文采用GCMC方法模拟研究了甲烷在SWNTs的管内和管隙中的吸附和相 行为。与狭缝孔相比,室温下甲烷在4.077lun的SW闪Ts中具有较高的吸附储存 能力。在较低温度下,除毛细凝聚外,甲烷在孔径为4.077 nm的正方晶格的碳 管阵列的管隙中会出现类似固体的分子构型。在这个体系中甲烷的固化温度应在 125K和135K之间,这个温度高于LJ甲烷分子在主体流体中的转变温度10lK。 本文也采用DFT方法研究了甲烷在单壁碳纳米管中丰富的相行为。 本文采用GCMC方法模拟研究了乙烷在SWNTs的份内和管隙中的吸附。 模拟发现碳管中碳原子的结构对乙烷分子在管内中的吸附几乎没有影响。模拟结 果表明,对乙烷分子在管内和管隙中的吸附能力来讲,孔的体积和墙势作用是一 对相互竞争的因素。而且无论是管内吸附还是管间吸附时,靠近壁面处的分子密 度较高且乙烷分子倾向于顺着壁面排列。当碳管的孔径为2.719 nm时,由吸附 等温线可以判断,这时的管内吸附具有中孔吸附的特征,}叮管隙中的吸附具有微 孔吸附的特征。在讨论管内乙烷分子的吸附时发现,在低温下一般乙烷分子在达 到饱和吸附的分子数密度会随孔径的增加而增加。但孔径在Inln附近时,增加 孔径会引起孔内吸附的分子数密度的突然减少。 本文采用DFT方法研究了氢气在SWNTs的管内和竹隙中的吸附。结果表明 温度对吸附量和流体分子在孔中的排列均有较大影响。DFT一计算可知,77K和 6MPa时,氢气在2.719nm的SWNTs的总的吸附的重量百分比分别可达到132 wt%。而在30OK和6MPa时,氢气在2.719 nm的SWNTs的总的吸附的重量百 分比仅为1.swt%。以前对氢在单壁碳纳米管束的模拟和理论计算仅仅局限于较 小的微孔,而本文的计算表明较大的孔径有利于氢气在单壁碳纳米管束的管隙中 的吸附。本文中还比较了氢气在管内和管隙的吸附,发现氢气在管隙中的吸附占 吸附总量的一个较大比重,不可忽略。并且管径越大所占的比重越大。


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