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.     

Density functional theory study of structural stability for gas hydrate

Using the first-principles method based on the density functional theory(DFT),the structures and electronic properties of different gas hydrates(CO_2,CO,CH_4,and H_2) are investigated within the generalized gradient approximation.The structural stability of methane hydrate is studied in this paper.The results show that the carbon dioxide hydrate is more stable than the other three gas hydrates and its binding energy is-2.36 e V,and that the hydrogen hydrate is less stable and the binding energy is-0.36 e V.Water cages experience repulsion from inner gas molecules,which makes the hydrate structure more stable.Comparing the electronic properties of two kinds of water cages,the energy region of the hydrate with methane is low and the peak is close to the left,indicating that the existence of methane increases the stability of the hydrate structure.Comparing the methane molecule in water cages and a single methane molecule,the energy of electron distribution area of the former is low,showing that the filling of methane enhances the stability of hydrate structure.     

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.     

体育器材中碳纤维材料的密度泛函理论研究

基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了掺杂对碳纤维性质影响的微观机理.对碳纤维掺杂结构、电子性质及弹性模量进行分析,得出如下结论:Ⅰ型掺杂时碳纤维的形成能范围在4.79~20.03eV,Ⅱ型掺杂时的形成能在4.31~22.36eV.2种掺杂模型掺杂后结构未见明显变化,只是键长与层间距发生变化,由范德华力作用耦合C原子与不同原子半径的原子相互作用所导致.Ⅰ型Mg掺杂碳纤维后a方向的模量增加了2 833.11Gpa,Ⅱ型Mg掺杂时提升2 436.03GPa,Ⅰ型Al掺杂碳纤维后a方向的模量增加了1 624.86Gpa,弹性模量增长非常明显.对弹性模量明显增长的掺杂模型进行电子态密度分析,结果表明Al,Mg掺杂碳纤维结构在高弹性模量要求下更加稳定.由此可得,碳纤维材料中掺杂Al和Mg可以提高碳纤维材料弹性性能.     

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.     

页岩矿物不同润湿性表征与吸附微观机理

无机矿物作为页岩气吸附的重要载体，其表面性质对甲烷吸附能力有着重要影响，而润湿性作为固体重要表面性质之一，对矿物气体吸附能力的影响不可忽视.文章以蒙脱石和石英作为研究对象，通过对矿物表面甲基化(-CH₃)和羟基化(-OH)处理来改变其润湿性，以探究无机矿物表面润湿性对甲烷吸附能力的影响.采用分子动力学方法研究矿物体系的润湿性，用接触角对润湿性进行定量表征，并构建纳米狭缝，结合巨正则蒙特卡罗方法模拟润湿性改变前后，CH₄在矿物中的吸附变化.研究结果表明，水滴在羟基化矿物表面迅速破裂并铺展在矿物表面，而在甲基化表面铺展程度较小，普遍呈半球形.羟基化蒙脱石和石英表面的润湿接触角分别为12.7°和26.5°,均小于其甲基化表面接触角62.5°和85.7°.甲基化矿物甲烷吸附量均高于其羟基化，气体几乎大都以吸附状态位于孔隙壁面，随着矿物亲水性的减弱，其对甲烷吸附能力增强.