胺基功能化的炭材料上二氧化碳吸附的密度泛函理论研究（英文）

本文利用色散作用校正的密度泛函理论研究了炭材料上含氮官能团对CO_2吸附的作用。通过计算比较了不同含氮官能团炭材料结构片段吸附二氧化碳后的结构参数和能量,由于较强的静电作用和形成弱氢键,含单个苯环的酰胺和吡啶类的吸附剂吸附二氧化碳的作用强于单个苯胺和吡咯类吸附剂。但当增加苯环数时,色散作用主导的吡咯型吸附剂的吸附能力显著增强。以上结果预示着酰胺和吡咯类将是大π体系中具有良好CO_2吸附性能的吸附剂。因而,色散作用在CO_2吸附过程中也占据着重要地位。计算得到的结果与我们之前的实验结果一致,并且将有利于筛选更有效的二氧化碳吸附剂。     

富氮多级孔炭材料的制备及其吸附分离CO2的性能

使用新型含氮聚合物席夫碱为炭源, SBA-15为模板,通过纳米铸型法原位合成微孔-中孔-大孔串联的多级孔富氮炭材料.材料的比表面积为752 m²·g^-1,孔容0.79 cm³·g^-1; X光电子能谱分析表明炭材料中的氮含量高达7.85%(w).将所制备的多孔炭材料应用于CO₂的吸附分离,发现炭材料的微孔发挥主导作用,表面氮掺杂发挥辅助作用.在两者的协同作用下, CO₂吸附量在常压、273 K下可达97 cm³·g^-1, CO₂/N₂和CO₂/CH₄的分离比(摩尔比)分别为7.0和3.2,低压亨利吸附选择性分别为23.3和4.2.采用Toth模型对单组分平衡吸附进行拟合,并根据理想溶液吸附理论(IAST)预测双组分CO₂/N₂和CO₂/CH₄混合气体的分离选择性分别为40和18.     

基于密度泛函理论的CO2氧化含氮焦炭的机理研究

本研究基于密度泛函理论,选取简化的含吡咯氮（N-5）或吡啶氮（N-6）焦炭模型,在分子水平上对CO₂氧化含氮焦炭的异相反应机理进行研究。结构优化采用B3LYP-D3/6-31G（d）方法,单点能计算采用B3LYP-D3/def2-TZVP方法。计算结果表明,CO₂氧化含氮焦炭过程分为CO₂吸附、CO脱附和NO脱附三个阶段。CO₂异相氧化含吡咯氮焦炭的反应中,CO₂分子倾向于以C-O-down模式（N-O结合、C-C结合）吸附形成含氮和氧的五元杂环结构。然后五元环中原CO₂分子的C-O键断裂形成表面羰基和表面氮氧结构,分别解吸附出CO和NO。该反应吸热401.2 kJ/mol,决速步能垒为197.6 kJ/mol。CO₂异相氧化含吡啶氮焦炭的反应中,CO₂分子以C-O-down和C-C结合、C-O结合模式吸附后倾向于先形成含氮和氧的六元杂环,再发生CO和NO分子的脱附。该反应吸收598.6 kJ/mol的热量,决速...     

CO2/C3H6O在金属氧化物耦合吡咯氮生物炭表面的共/竞吸附机理研究

本研究采用密度泛函理论,通过比较吸附量、吸附能以及态密度和电荷差分密度的分析,探究了不同金属氧化物耦合吡咯氮生物炭(CN5@MO_x,MO_x=ZnO、CaO、Na₂O)表面CO₂与C₃H₆O(CO₂&C₃H₆O)的吸附机理。首先从CO₂/C₃H₆O单组分方面计算了其在CN5@MO_x表面吸附量和吸附能,计算结果表明,在333 K、100 kPa时CN5@Na₂O表面对CO₂/C₃H₆O单组分吸附量分别为3.65、15.34 mmol/g,吸附能分别为-145.86、-132.47 kJ/mol,均高于CO₂/C₃H₆O单组分在CN5@CaO及CN5@...     

二次嫁接法制备氨基修饰的硅基二氧化碳吸附剂

采用二次嫁接法制备了一系列氨基修饰的SBA-15二氧化碳(CO₂)吸附剂,利用XRD、BET、热重、元素分析、电镜、红外等表征手段对吸附剂进行了表征,并通过固定床测量穿透曲线的方法研究了其CO₂吸附性能,分别考察了不同制备途径和不同有机胺类型等因素对吸附剂结构以及其CO₂吸附性能的影响,同时,还通过多次吸脱附实验考察了吸附剂循环吸脱附的稳定性。结果表明,超声法所制备的聚乙烯亚胺(PEI)嫁接的吸附剂具有最优的CO₂吸附性能,在CO₂分压为10 kPa,反应温度为25 ℃时,吸附量达到1.72 mmol/g;进行多次循环吸脱附实验后,吸附量未见明显降低,表明吸附剂具有稳定的循环吸附性能。     

MgO/Al2O3吸附剂对CO2动态吸附性能的研究

以γ- Al₂O₃为载体,采用等体积浸渍法制取MgO/Al₂O₃吸附剂,利用BET、XRD等表征手段对吸附剂进行表征;并通过固定床测量穿透曲线的方法研究其对CO2动态吸附性能的影响,考察了MgO负载量、吸附温度、气体流量等因素对吸附剂吸附CO₂性能的影响,同时还通过多次吸脱附实验考察MgO/Al₂O₃吸附剂的稳定性和再生能力。结果表明,MgO负载量为10%的吸附剂,吸附温度在50℃左右,流量为45mL/min动态吸附量最大;经数次循环后材料的结构性质和吸附性能未见明显变化,可再生性能比较优异,是一种潜在的可工业化应用的CO₂吸附剂。     

离子交换树脂固态胺复合材料的制备、表征及CO2吸附

以离子交换树脂（D001）为载体,四乙烯五胺（TEPA）为改性剂,采用三种不同的方法制备了一系列固态胺吸附剂。采用N₂吸附-脱附、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、热重分析（TGA）等手段对吸附剂进行表征。在固定床反应器中考察了TEPA负载量、吸附温度、进气流量和CO₂分压等因素对CO₂吸附性能的影响。结果表明,配位法制得的固态胺吸附剂分散性和稳定性较好,且在TEPA负载量为40%,吸附温度为65℃,进气流量为40 mL/min时有最大CO₂吸附量达4 mmol/g。经过10次吸附-脱附循环实验后,CO₂吸附量下降3.98%。热力学、动力学研究结果表明,CO₂吸附是物理吸附和化学吸附的结果。     

电厂废气中饱和水蒸气对活性炭变压吸附捕集CO2的影响

由于热电厂废气中含有高湿饱和水蒸气,选用疏水材料活性炭为吸附剂,利用真空变压吸附技术研究了活性炭分离电厂废气中水蒸气和二氧化碳的可行性和优越性,研究了水对CO₂捕集的影响。实验分析表明,水在活性炭上的“S”型等温吸附曲线有利于真空条件下被解吸。同时,圆锥模型描述了水蒸气在吸附床内的浓度分布。结果表明,即使水蒸气可以被活性炭吸附,但它的存在不影响CO₂的捕集。每个循环操作可在相对较短的解吸时间和较高的解吸压力下完成。实验中单床三步变压吸附工艺可以使CO₂回收率高达80%,CO₂纯度达43%。     

碱式碳酸锌对[UO2(CO3)3]4-吸附机理的研究

用吸附法从海水中提铀的研究已引起了广泛的注意,碱式碳酸锌则是常用的吸附材料之一。本文报道用碱式碳酸锌对[UO₂(CO₃)₃]^4-吸附机理的研究结果。从不同碱度的碱式碳酸锌吸附[UO₂(CO₃)₄]^4-中铀的实验,得出在一定的—OH浓度范围内,碱式碳酸锌中—OH含量越高,对[UO₂(CO₂)₃]^4-中铀吸附率越大的结果。同时使用X射线衍射法与红外光谱法,亦对吸附机理进行了初步研究,由此扩大了研制新吸附剂的线索。     

碳化多孔有机骨架制备氮掺杂多孔碳及其气体吸附研究

通过简单的一步碳化方法, 以含氮的多孔有机骨架JUC-Z2为碳前驱物制备出氮掺杂多孔碳材料. 与原始JUC-Z2材料相比, 制备的多孔碳材料显示出明显提高的气体吸附量和增强的吸附焓. 其中JUC-Z2-900的CO₂吸附量高达113 cm³·g^-1, H₂吸附量也达到246 cm³·g^-1, 超过了大部分报道的多孔材料. 尤其是JUC-Z2-900的CH₄吸附量在273 K, 1 bar下高达60 cm³·g^-1, 据我们所知, 这一值为目前报道材料的最高值. 除此之外, 样品还显示出选择性吸附CO₂的能力, 273 K下, JUC-Z2-900的CO₂/N₂的选择性高达10, CO₂/H₂的选择性也高达66. 另外, 样品具有很高的热稳定性, 有望应用在碳捕获和清洁能源储存等领域.     

CO2在α-U(001)表面的吸附和解离

采用广义梯度密度泛函理论研究了0.25ML覆盖度下CO₂在α-U（001）表面上的吸附和解离,得到了CO₂的稳定吸附构型和吸附能,确定了CO₂的解离过渡态和解离能垒,探讨了CO₂与表面U原子的相互作用本质.结果表明CO₂趋向以C（O）-U多键结合方式在α-U（001）面发生强化学吸附,吸附能为1.24-1.67 eV;C-O键的活化程度依赖于表面电子向CO₂发生转移的程度.CO₂与表面U原子的相互作用主要来自于U原子电子向CO₂最低空轨道（LUMO）2π_u转移,以及CO₂π_u/1π_g/3σ_u-U 6d轨道间杂化而生成新的化学键.以形成3个C-U键和6个O-U键模式在穴位1和穴位2上发生吸附的CO₂（H1-C₃O₆和H2-C₃O₆）的解离吸附能分别为3.15和3.13 eV,解离能垒分别为0.26和0.36 eV,预示着吸附CO₂分于易于解离形成CO分子和O原子.     

氨基功能化SBA-16对CO_2的动态吸附特性

采用浸渍法将四乙烯五胺(TEPA)负载到介孔分子筛SBA-16的孔道内,形成功能化的介孔材料用于CO2的吸附.利用X射线衍射(XRD)、透射电镜(TEM)、氮气物理吸附-脱附和热重分析(TGA)等方法对样品进行了表征.通过动态吸附对不同TEPA浸渍量的SBA-16的CO2吸附性能和再生性能进行研究.结果表明:修饰后的SBA-16仍然保持有序的孔道结构,但样品的孔道有序度降低,比表面积、孔容、平均孔径都减小.样品对CO2的饱和吸附容量和穿透吸附容量随着TEPA浸渍量的增加而增加.60℃时,30%TEPA浸渍量的样品的穿透吸附容量和饱和吸附容量达到最大,分别为0.625和0.973mmol·g-1.在60-80℃,样品的动态吸附性能稳定.经过20次吸附-脱附循环后,样品的饱和吸附容量仅降低了6.45%.采用失活模型对CO2的吸附穿透曲线进行模拟,该模型能够很好地模拟样品对CO2的吸附过程.     

Theoretical Study About Effects of H2O and Na+ on Adsorption of CO2 on Kaolinite Surfaces

The density functional theory(DFT) was used to investigate the adsorptions of carbon dioxide(CO₂) on kaolinite surfaces and the influences of Na⁺ and H₂O on the adsorption. Both cluster and periodic models of kaolinite were considered. The calculated results indicate that stable complexes can be formed between adsorbed CO₂ and the surfaces of kaolinite in the presence or absence of sodium cation and water molecule. The Al-O octahedral surface has a larger adsorption affinity for CO₂ than the Si-O tetrahedral surface of kaolinite because the hydroxyl groups of kaolinite Al-O surface present more activity than the basal O atoms of the Si-O tetrahedral surface in the inter-molecular interactions. The existence of exchangeable sodium cations exerts the significant effect on the adsorption of CO₂ with the dramatic increase of the adsorption energy, while the presence of water molecule decreases the adsorption strength insignificantly. The calculated Gibbs free energies of the adsorption reveal that the adsorptions of CO₂ on all the investigated kaolinite surfaces are feasible thermodynamically in the gas phase. Surface free energy was calculated to provide the predictions of the surface stability as a function of temperature.     

Separation of CO_2–N_2 using zeolite NaKA with high selectivity

The adsorption method based on solid adsorbents is one of feasible ways to capture and store CO_2. Using the ion exchange method, different zeolites Na KA varying in K+content were produced. The adsorption isotherms and kinetic uptakes were measured. The experimental results show that the optimal NaKA could adsorb significant quantities of CO_2 and little N_2. On the zeolite Na KA with 14.7 at.% K+, the adsorption capacity for pure CO_2 is over 3.10 mmol g~(-1) and the CO_2–N_2 selectivity is about 149 at ambient pressure and temperature. The kinetic CO_2–N_2 selectivity could also achieved 200 within 3 min according to the uptake data. To demonstrate the separation effectiveness, breakthrough curves of pure components and binary mixtures were investigated experimentally and theoretically in a fixed bed. It is found that the breakthrough points of CO_2 and N_2 are almost at the same time under the atmospheric pressure at 348 K with the raw gas composition CO_2/N_2(20:80, v/v). If the pressure has been increased higher than 0.1 MPa, CO_2 would break through the bed much slower than N_2. Therefore, the pressure may become the limiting factor for the separation performance of zeolites NaKA.     

石墨烯/纳米管复合结构吸附分离CO2/CH4混合物的分子模拟

采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)及分子动力学(MD)方法探讨了石墨烯/碳纳米管三维骨架结构(GNHS)对等摩尔CO₂/CH₄二元混合物的吸附分离性能. 模拟结果表明CO₂比CH₄更易吸附于GNHS中, GNHS与(6, 6)SWCNT (单壁碳纳米管)相比具有更高的分离性能. 随着温度升高, CO₂的吸附量快速降低, 而CH₄的吸附量则呈现出先升高后降低的趋势. 最后采用分子动力学方法计算了CO₂与CH₄的自扩散系数及停留时间等动力学相关参数, 发现CO₂在GNHS内扩散的阻力更大. 而各组分在吸附剂外部吸附层内的扩散过程对混合物的分离也存在一定影响.     

Preparation of MnO2 Loaded Hydrothermal Carbon-coated Electrospun PAN Fiber Membranes for Highly Efficient Adsorption and Separation of Cationic Dye

Hydrothermal carbonaceous materials and MnO₂ have been proved to be promising adsorbents to remove organic dyes from wastewater. In this study, flexible MnO₂ loaded hydrothermal carbon-coated electrospun poly-acrylonitrile(AC/MnO₂/PAN) fiber membranes were fabricated by a facile one-step hydrothermal method and activated by NaOH solution. The composite fibers exhibited large adsorption capacity toward cationic dyes and excellent mechanical properties. The adsorption performance can be fitted well with pseudo-second-order model and Langmuir isotherm model. The maximum adsorption for methylene blue(MB), methyl violet(MV) and malachite green(MG) are 1173.27,1106.31 and 1129.89 mg/g, respectively, according to Langmuir fitting. The AC/MnO₂/PAN fiber membrane also showed satisfactory performances for selective adsorption and recyclability. In addition, based on selective adsorption, the AC/MnO₂/PAN fiber membranes that are repulsive to the anionic dye methyl orange(MO) can separate the MB/MO mixture solution by dynamic filtration. Thus, this work not only provides a facile strategy to fabricate large capacity adsorbents, but also demonstrates the potential applications in the dye wastewater treatment field.     

等离子体技术对CO2甲烷化用Ni/SiO2催化剂的改性作用

采用浸渍法制备了Ni/SiO₂催化剂,应用等离子体技术对催化剂进行改性处理。以CO₂甲烷化为模型反应对催化剂进行活性评价,通过H₂程序升温还原(H₂-TPR)和CO₂程序升温脱附(CO₂-TPD)技术对催化剂进行表征。研究了等离子体技术强化处理对催化剂吸附性能和还原性能的影响。结果表明,与常规焙烧的催化剂相比,等离子体技术改性处理提高了催化剂活性组分的分散度,增加反应活性位并调变了活性位对吸附物种的吸附强度,改进了催化剂的还原性能,CO₂甲烷化反应活性和甲烷的时空产率显著提高。     

High-throughput model-building and screening of zeolitic imidazolate frameworks for CO2 capture from flue gas

To find potential zeolitic imidazolate frameworks(ZIFs)for CO2 capture from flue gas,we built 169,898 ZIF models from 84,949 hypothetical zeolite networks.By calculating their lattice energies,accessible volumes to CO2,the isosteric adsorption heat(Qst)of H2 O,Henry’s constant ratio(SKH)of CO2/N2,percent regenerability(R%),CO2 working capacity(ΔNCO2),CO2/N2 adsorption selectivity(SCO2/N2))and adsorbent performance score(APS),we identi fied 49 hydrophobic ZIF structures that might outplay already-realised ZIFs built from the same imidazolate linkers for CO2 capture from flue gas.