CH_4/H_2O/CO_2在β-SiO_2(100)面吸附的第一性原理研究

多孔介质中的吸附直接影响页岩气赋存、运移.基于密度泛函理论从量子力学角度研究CH_4/H_2O/CO_2在页岩储层主体矿物成分SiO_2上的吸附构型和吸附特性,计算并分析了吸附能与态密度等特征.研究表明:CH_4、H_2O和CO_2在β-SiO_2(100)面的吸附能分布在-0.2 eV～-0.1eV区间内,为物理吸附;最小吸附能大小依次为:CH_4 H_2O CO_2,即,CO_2的吸附能力最强,H_2O次之,CH_4最弱;各吸附质处于吸附能最大与最小时的键长键角变化均小于1%,最大吸附能对应的吸附质键长键角变化率均大于吸附能最小时的,吸附质的物理结构变化微弱表明其所受作用力微弱;基底处于最稳定吸附位时态密度基本重合,表明各吸附质与β-SiO_2表面相互作用相似且差异较小;CH_4、H_2O、CO_2的态密度均出现不同程度偏移,且CO_2在能量更低的区域具有态密度分布,更易优先吸附.     

CH_4、H_2O在CaCO_3(010)表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理方法,研究了CH_4和H_2O在CaCO_3(010)面上各高对称位的吸附情况,优化了CH_4与H_2O在T位、 B位和H位的吸附模型结构,计算了其在各高对称位的吸附能,并对其各自最稳定的吸附位吸附前后的物理结构和电子态密度进行了对比分析.结果表明:CH_4、 H_2O分子分别在LBⅢ位、 SBⅢ位最稳定,吸附能分别为-0.405 eV、-0.138 eV,是一种物理吸附,吸附前后键长键角的变化较小,表现为亲气;吸附后CH_4和H_2O的态密度曲线整体向低能量区偏移约7.5 eV、 5eV,吸附后CH_4和H_2O结构都更加稳定,吸附作用对CH_4和H_2O分子的电子结构影响显著.     

沸石分子筛对CH_4/H_2的吸附与分离性能

基于分子模拟的高通量计算方法,通过对199个沸石结构特征和吸附分离性能之间的关联性研究,发现具有超微孔结构的沸石材料对CH_4分子有良好的吸附分离性能,等摩尔CH_4/H_2混合组份的CH_4吸附选择性和单组份的CH_4吸附量之间存在明显的线性关系.通过使用巨正则蒙特卡罗模拟方法,获得了 3个孔道形沸石对CH_4和H_2的吸附等温线和等量吸附热等物理量.结果表明在相同外界环境下,孔道形沸石的孔结构(表面积和孔体积)对CH_4吸附量的影响高于能量效应(吸附热).结合甲烷蒸汽重整制氢的工业背景,进一步研究了 CH_4/H_2混合体系在不同组份下的分离选择性能,结果表明,超微孔沸石材料对CH_4的吸附选择性与体相压力和进料比无关.通过气体分子的质心分布密度发现,CH_4在孔道形沸石中优先占据更小孔窗的空间,而H_2的分布范围更大但是未存在明显的优先吸附位点.     

基于第一性原理计算H_2S、CO_2、CH_4在Fe-MoS_2上的吸附性能

在高含硫气藏开发中,伴随着CH_4的采出,H_2S和CO_2也不可避免的被采出.这两种气体会产生管道腐蚀和气体中毒等诸多不利影响.为了解决这一现实需要,从研究较为广泛的MoS_2材料入手,考虑了其掺杂结构中的吸附性能的变化,相关计算原理基于密度泛函数理论.主要计算了一种吸附式掺杂过渡金属原子Fe在MoS_2上的结构,同时也计算了H_2S,CO_2,CH_4气体在其表面的吸附能,电荷转移,电子密度差等相关参数.结果表明,CH_4对这种材料表现出不敏感的特性,而CO_2、H_2S均表现出吸附的性质,预测这种材料可能作为一种可使用的吸附材料,或是开发作为一种新型的气体预警材料.     

CH_4、H_2O在CaCO_3(010)表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理方法,研究了CH_4和H_2O在CaCO_3(010)面上各高对称位的吸附情况,优化了CH_4与H_2O在T位、B位和H位的吸附模型结构,计算了其在各高对称位的吸附能,并对其各自最稳定的吸附位吸附前后的物理结构和电子态密度进行了对比分析.结果表明:CH_4、H_2O分子分别在LBⅢ位、SBⅢ位最稳定,吸附能分别为-0.405 eV、-0.138 eV,是一种物理吸附,吸附前后键长键角的变化较小,表现为亲气;吸附后CH_4和H_2O的态密度曲线整体向低能量区偏移约7.5 eV、5eV,吸附后CH_4和H_2O结构都更加稳定,吸附作用对CH_4和H_2O分子的电子结构影响显著.     

CH_4、H_2O在CaCO_3(010)表面吸附的第一性原理研究

基于密度泛函理论第一性原理方法,研究了CH_4和H_2O在CaCO_3(010)面上各高对称位的吸附情况,优化了CH_4与H_2O在T位、B位和H位的吸附模型结构,计算了其在各高对称位的吸附能,并对其各自最稳定的吸附位吸附前后的物理结构和电子态密度进行了对比分析.结果表明:CH_4、H_2O分子分别在LBⅢ位、SBⅢ位最稳定,吸附能分别为-0.405 eV、-0.138 eV,是一种物理吸附,吸附前后键长键角的变化较小,表现为亲气;吸附后CH_4和H_2O的态密度曲线整体向低能量区偏移约7.5 eV、5eV,吸附后CH_4和H_2O结构都更加稳定,吸附作用对CH_4和H_2O分子的电子结构影响显著.     

Fe,Co,Ni掺杂石墨烯表面吸附C_2H_4的第一性原理研究

基于密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA),本文对本征石墨烯以及掺杂Fe,Co,Ni石墨烯的几何结构和电子性质进行了优化计算,并计算了C_2H_4在本征石墨烯以及掺杂石墨烯表面的吸附过程,讨论了体系的吸附能、稳定性、DOS及掺杂对键长的影响.结果表明C_2H_4在本征石墨烯B位的吸附和掺杂石墨烯的吸附为化学吸附,在本征石墨烯T和H位的吸附为物理吸附;掺杂后石墨烯的比表面积增大,与本征石墨烯相比,掺杂使费米能级附近的态密度积分显著提高,表明掺杂石墨烯的电导性会发生变化,从而影响对C_2H_4的气敏度..C_2H_4在Fe、Co、Ni分别掺石墨烯的最佳吸附位为T位、H位和B位;掺杂Fe,Ni后体系的吸附能力显著提高,且掺杂Ni时体系的吸附能力最好.     

致密气在α-SiO_2(010)面吸附的第一性原理研究

致密气在砂岩储层中的赋存状态一直是人们研究的热点.为了论证致密气在石英砂岩表面吸附性的强弱,基于密度泛函理论的第一性原理方法,以CH_4分子为主要研究对象,研究了CH_4、C_2H_6、CO_2、N_2分子在α-SiO_2(010)面的吸附性质.结果表明:CH_4、C_2H_6、CO_2、N_2分子在α-SiO_2(010)面的吸附能力从小到大依次为CO_2N_2CH_4C_2H_6,其中CH_4分子在B12位的吸附能最低,为-0.5379 eV,几何结构变化最小,吸附最稳定,是一种物理吸附;烃类气体的吸附性比非烃类的吸附性强;不同高对称位的吸附能变化范围很小,气体在α-SiO_2(010)面的流动性很强;在B12位吸附后,CH_4分子的s态、p态电子密度整体向低能量区域偏移约3.2 eV,而α-SiO_2(010)表面硅原子的电子态密度曲线几乎不变.     

人工金刚石薄膜生长过程中有关反应活性的研究

用原子簇团模拟人工金刚石膜生长过程中的一些生长核,采用从头自治的DV-X_n方法对这些簇团和与生长过程有关的一些气相分子和基团(CH,CH_2,CH_3,·CH_3,CH_4·H,C_2H,C_2H_2,C_2H_4)进行了电子结构计算,从化学反应活性的角度探讨金刚石膜生长过程中这些气相分子和基团与生长核的反应活性,结果表明,CH,CH_2,CH_3,CH_4·H和变形的C_2H_2更易于与金刚石表面发生化学吸附。另外,通过分析簇团的电子态密度和前线分子轨道的组成情况,提出了人工金刚石膜生长中生长核长大的 关键词：     

大气压甲烷针-板放电等离子体中粒子密度和反应路径的数值模拟

甲烷针-板放电与重油加氢耦合形成甲烷转化重油加氢,可实现重油高效加氢并增产高附加值低碳烯烃,有实践应用前景和科学研究意义.建立二维流体模型,对大气压甲烷针-板放电等离子体进行数值模拟,得到电场强度、电子温度和粒子密度的空间与轴向分布,总结反应产额并提炼生成各种带电和中性粒子的关键路径.模拟结果表明,CH_3~+和CH_4~+密度与电场强度和电子温度的轴向演化接近且密切相关;CH_5~+和C_2H_5~+密度沿轴向先增大后减小;CH_3与H密度的空间和轴向分布几乎相同;CH_2,C_2H_4与C_2H_5的粒子密度分布在靠近阴极的区域内明显不同而在正柱区内较为相像;电子与CH_4发生电子碰撞电离生成的CH_3~+和CH_4~+,CH_3~+和CH_4~+分别与CH_4发生分子碰撞解离生成C_2H_5~+和CH_5~+;电子与CH_4间的电子碰撞分解是生成CH_3,CH_2,CH和H的主导反应;CH_2与CH_4和电子与C_2H_4发生的反应分别是生成C_2H_4和C_2H_2的关键路径;电子与CH_4间的电子碰撞分解反应和CH_2与CH_4发生的反应的产额各占H_2总产额的52.15%和47.85%.     

正丁烷/空气在微反应器内的气相与催化反应

本文通过实验研究了富燃的正丁烷/空气混合物在有、无Pt催化剂蜂窝陶瓷反应器内的气相与表面反应过程。实验结果表明,根据反应温度的不同,正丁烷/空气混合物的催化氧化过程分为三个区域:低温的表面催化反应控制区、高温的气相反应控制区和中温的催化/气相反应共同控制区。在表面催化反应控制区,即使是富燃料混合物,其反应产物也只有完全氧化产物,而不存在CO等不完全氧化产物。在达到气相着火后的气相反应控制区,混合物主要发生部分氧化和热裂解反应过程,表面催化反应的影响很小,反应产物主要是部分氧化产物和裂解产物CO,H_2、CH_4、C_2H_4、C_3H_6等。     

硫化氢在金属-有机骨架材料中吸附与分离的计算模拟

采用优化的DREIDING力场参数,通过巨正则系综蒙特卡洛(GCMC)模拟方法对天然气中的两种气体CH_4和H_2S在Cu_6(BTTC)_4(H_2O)_6·x S(1)和[(CH_3)_2NH_2]_3[(Cu_4Cl)_3(BTTC)_8]·yS(2)两种金属有机骨架(MOFs)材料中的吸附与分离性能进行了比较研究.结果证明了聚合物2的吸附量和分离性能相比之下高于聚合物1,且两种材料的吸附机理存在差异.聚合物1中金属Cu和有机基团对于吸附两种气体没有明显的作用,主要分布在小孔道和大孔道;然而聚合物2中的H_2S和CH_4主要吸附在有机基团、金属Cu和-Cl基团周围.则含有-Cl基团的聚合物2展现了优越的吸附能力和稳定性.总而言之,本文获得的结果可以应用于此类研究领域,因此在环境范围中吸附去除污染物可以产生更深层次定性和定量的作用.     

二维Ti_2CO_2单层吸附H_2S分子的第一性原理研究

采用第一性原理计算方法研究了H_2S分子在二维单层Ti_2CO_2表面上的吸附以及外加应变和电场对其性质的调制,发现该吸附为物理吸附,其吸附强度几乎不受外加拉伸应变的影响,而外加电场使H_2S分子的吸附增强.同时,通过单层Ti_2CO_2表面不同结构(如水分子修饰、官能团掺杂、氧官能团空位)对H_2S分子吸附性质影响的研究表明:(1)表面吸附的水分子促进H_2S分子的吸附,其吸附强度随H_2O分子数增多而增强;(2)官能团OH掺杂浓度低于0.22 ML时,促进H_2S分子的吸附,而较高浓度OH掺杂使H_2S分子吸附减弱;官能团F掺杂对H_2S分子吸附强度几乎没有影响;(3)含氧空位的Ti_2CO_2表面与H_2S分子相互作用较强,吸附能高达-1.06 eV,且电子结构改变明显.     

缺陷对钠在石墨烯上吸附性能的影响

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了本征石墨烯和缺陷石墨烯吸附钠原子的电荷密度、吸附能、态密度和储存量.结果表明,本征石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置为H位,缺陷石墨烯中,钠原子的最佳吸附位置为T_D位.缺陷石墨烯对钠原子的吸附能是-4.423 eV,约为本征石墨烯对钠原子吸附能的2.5倍;钠原子与缺陷石墨烯中的碳原子发生轨道杂化,而与本征石墨烯没有发生轨道杂化现象.缺陷石墨烯能够吸附10个钠原子,与本征石墨烯相比显著提高.因此,缺陷石墨烯有望成为一种潜在的储钠材料.     

基于密度泛函理论研究掺杂Pd石墨烯吸附O2及CO

基于第一性原理的密度泛函理论研究了单个O₂和CO气体分子吸附于本征石墨烯和掺杂钯(Pd)的石墨烯的体系, 通过石墨烯掺Pd前后气体分子的吸附能、电荷转移及能带和态密度的计算, 发现掺Pd后气体分子吸附能和电荷转移显著增大, 这是由于Pd的掺杂, 在本征石墨烯能带中引入了杂质能级, 增强了石墨烯和吸附气体分子间的相互作用; 氧化性气体O₂和还原性气体CO吸附对石墨烯体系能带结构和态密度的影响明显不同, 本征石墨烯吸附O₂后, 费米能级附近态密度变大, 掺Pd后在一定程度变小; 吸附还原性的CO后, 石墨烯费米能级附近态密度几乎没有改变, 表明掺杂Pd不会影响石墨烯对CO的气体灵敏度, 但由于CO对石墨烯的吸附能增大, 可以提高石墨烯对还原性气体的气敏响应速度.     

微细腔内变组分CH_4/O_2/H_2O自热重整积碳特性

针对微动力装置中重整腔内催化剂表面容易积碳,重整反应需要大量能量等问题,在重整腔入口引入氧气,使甲烷发生部分氧化反应为催化重整提供热量。本文采用数值方法研究了微细腔中CH_4/O_2/H_2O镍基催化剂上的自热重整反应,重点分析CH_4/O_2/H_2O混合物组分对甲烷自热重整反应及积碳的影响。结果表明:在混合物组分CH_4/O_2/H_2O摩尔比为1:0.2:2时,甲烷自热反应放热量刚好能满足甲烷重整反应的需求,氢气质量分数较高为3.32%,积碳浓度较低为1.19×10~(-6) kmol/m~2。     

Henry范围内粗糙孔隙中气体的等量吸附热与吸附选择性

Henry系数和等量吸附热是表征气体吸附中气-固作用的重要参数.为了更好地理解气体在粗糙孔隙中的吸附特征,首先构造并计算了矩形波纹粗糙狭缝及其外势分布.进一步,采用经典统计力学研究了狭缝中H₂分子在低压范围内的纵向Henry系数和等量吸附热.研究结果表明,粗糙狭缝的几何形貌和基板间距等因素可对狭缝中气体的纵向Henry系数和等量吸附热产生显著的影响与调制作用.进一步,在Henry范围内计算了CO₂/H₂二元混合物气体在矩形波纹粗糙狭缝中的吸附选择性,并研究了狭缝几何形貌的调制作用.此外,还研究了不同形状的凸起对气体吸附性质的影响.相关的结果可为理解多孔材料中气体的吸附、分离和提纯等过程提供可靠的理论依据,并有望为设计与研发新型纳米功能材料提供有益的参考.     

石墨烯在Al_2O_3(0001)表面生长的模拟研究

基于密度泛函理论的广义梯度近似法,对用化学气相沉积法在蓝宝石(α-Al_2O_3)(0001)表面上生长石墨烯进行理论研究.研究结果表明:CH_4在α-Al_2O_3(0001)表面上的分解是吸热过程,由CH_4完全分解出C需要较高能量及反应能垒,这些因素不利于C在衬底表面的存在.在α-Al_2O_3(0001)表面,石墨烯形核的活跃因子并不是通常认为的C原子,而是CH基团.通过CH基团在α-Al_2O_3(0001)表面上的迁移聚集首先形成能量较低的(CH)_x结构.模拟研究(CH)_x对揭示后续石墨烯的形核生长机理具有重要意义.     

Y掺杂空位石墨烯对NO及CO气体表面吸附的第一性原理研究

摘　要：基于第一性原理的计算方法，建立了本征石墨烯、空位石墨烯及钇( Y)掺杂空位石墨烯模型，并计算了CO、NO在三类石墨烯表面的吸附过程. 从表面能、吸附结构、吸附能和态密度四个方面进行分析讨论，研究掺杂Y对CO、NO气体吸附性能的影响. 结果表明：CO、NO与本征石墨烯之间的吸附为弱的物理吸附，掺杂Y后增强了材料表面对CO、NO的吸附效果，最大吸附能分别为7.414eV、6.702eV，属于化学吸附；掺杂Y使空位石墨烯费米能级附近有了更多的活跃电子，其吸附NO后体系由半金属转变为金属特性，该特性能为开发更加优良的石墨烯气敏材料提供理论支持.     

电场中LiF分子吸附H_2的理论研究

采用密度泛函理论方法研究了电场中H_2在LiF分子上的吸附行为.结果表明,无电场时,H_2能在Li与F原子上形成弱的物理吸附.外加电场可显著提高其吸附强度, H_2在Li/F上的吸附能由无电场时的-0.112/-0.122eV提高到场强为0.005 a. u.时的-0.122/-0.171 eV, H_2吸附在F上时更稳定.利用分子中的原子量子理论(QTAIM)方法研究了电场增强吸附的机理,表明电场促进了H_2与LiF间的电荷转移,同时使LiF及H_2极化,增强了其间的静电作用,从而提高了吸附强度.电场中LiF最多能吸附10个H_2,相应的质量密度达43.5 wt%.表明电场诱导LiF材料吸附H_2是一种具有潜力的储氢方法.