多孔配位框架材料CO2捕集及分离性能的研究现状与展望

多孔配位框架材料（porous coordination frameworks,PCFs）是一类通过配位键结合而形成的材料．它具有丰富的空间拓扑结构、可设计性、结构可调控性、比表面高和孔容大等特点,是一类非常有前景的CO：捕集与分离材料．本文综述了PCF材料CO2捕集与分离性能的研究现状,提出了功能导向的材料设计与合成策略：即“多尺度模拟设计一实验制备一性能研究”的理论与实验紧密结合的研究方案．最后也提出了可以提高PCF材料CO2捕集分离性能的策略与展望．     

Density functional theory for molecular orientation of hard rod fluids in hard slits

A density functional theory (DFT) is used to investigate molecular orientation of hard rod fluids in a hard slit. The DFT approach combines a modified fundamental measure theory (MFMT) for excluded-volume effect with the first order thermodynamics perturbation theory for chain connectivity. In the DFT approach, the intra-molecular bonding orientation function is introduced. We consider the effects of molecular length (i.e. aspect ratio of rod) and packing fraction on the orientations of hard rod fluids and flexible chains. For the flexible chains, the chain length has no significant effect while the packing fraction shows slight effect on the molecular orientation distribution. In contrast, for the hard rod fluids, the chain length determines the molecular orientation distribution, while the packing fraction has no significant effect on the molecular orientation distribution. By making a comparison between molecular orientations of the flexible chain and the hard rod fluid, we find that the molecular stiffness distinctly affects the molecular orientation. In addition, partitioning coefficient indicates that the longer rodlike molecule is more difficult to enter the confined phase, especially at low bulk packing fractions.     

氮气在MCM－41分子筛中的吸附：实验和分子模拟

用美国Micromeritics公司生产的ASAP2010物理吸附仪测定了低温（77 K） N_2在MCM-41分子筛中的吸附等温线，获得了表征MCM-41特征的BET比表面、BJH孔 容和平均孔径。同时用巨正则Monte Carlo（GCMC）模拟方法考究了N_2在MCM-41中 的吸附，得到了N_2在MCM-41中的模拟吸附等温线，分析了流体在MCM-41分子筛中 的微观结构。GCMC模拟中MCM-41介孔材料模型化为圆柱孔，N_2模型化为Lennard- Jones（LJ）球。N_2和MCM-41介孔墙壁间的相互作用采用Tjatjopoulos-Feke- Mann（TFM）势能模型进行表征。通过使模拟和实验结果有一个好的吻合，确定了 一组有效的MCM-41分子筛的势能参数（σ_(ww) = 0.265 nm，∈_(ww)/k = 190 K ）。这为以后其他吸附质在MCM-41中吸附的预测奠定了基础、提供了依据。     

理解“角落”的影响：流体在矩形纳米孔中的吸附

本文通过巨正则系综Monte Carlo方法研究了不同孔径下氮气、氢气和甲烷在方孔和矩形孔中的吸附。比较了三种势能模型后,采用了最合理的点对点模型。比较了77K时流体在圆柱状孔、方孔和矩形孔的吸附。由于“角”的影响,在方孔和矩形孔内有明显的润湿效应,而圆柱状孔内则没有。文章中比较了氢气和甲烷在三种不同的孔内吸附的情况。研究表明：氢气在方孔内的吸附能力最强,在低压时尤为显著,这是因为“角落”处势能重叠的作用。结果显示在低压时,“角”的存在对流体的吸附和相行为有较强的影响。     

高比表面活性碳微球分离H2中少量CO2

以实验数据为依据, 结合双Langmuir模型研究了用高比表面活性碳微球材料分离H2中少量CO2的行为. 在实验中, 用高精度的IGA-003重力吸附仪测定了温度为298、273 和268 K, 压力在0-1.8 MPa范围内CO2、H2及n(CO2):n(H2)=1:9混合物在活性碳微球中的吸附等温线. 比较不同吸附模型的计算结果与实验数据, 结果表明, 双Langmuir模型与实验结果拟合得较好; 而且通过结合理想吸附溶液理论, 该模型可以准确地计算不同的混合物体系(包括H2-CO2体系)的吸附量和吸附选择性. 利用该模型求解了不同温度下各组分的分吸附量, 得到了CO2的吸附选择性;在268 K和1.7 MPa下, CO2的吸附选择性可达到73.4, 表明活性碳微球是一种优秀的吸附H2中少量CO2的材料.     

巨正则系综Monte Carlo模拟方法确定活性炭的微孔尺寸

根据299K下甲烷在活性炭中的吸附实验数据,通过调节狭缝微孔的孔宽参数,利用巨正则系综MonteCarlo(GCEMC)方法得到不同孔宽下流体的微观结构以及吸附等温线.比较并拟合模拟结果和实验数据,确定了活性炭微孔的平均孔宽,为下一步求解微孔尺寸分布以及为预测吸附剂在不同温度下吸附不同吸附质分子时的吸附性能提供了基础与指导.模拟中,甲烷分子采用单点Lennard-Jones球型分子模型,活性炭用狭缝孔来近似表征,流体分子与单个狭缝墙的相互作用采用著名的Steele的10－4-3势能模型.模拟表明,此方法为考察介孔材料的微孔分布以及微孔平均孔宽提供了新的思路.     

超临界甲烷在氯化锆层柱纳米材料中吸附的分子模拟

用巨正则MonteCarlo(GCMC)方法模拟了甲烷在氯化锆层柱材料中的吸附。模拟中,氯化锆层柱材料模型化为柱子均匀分布在层板间的层柱孔,非极性分子甲烷采用Lennard-Jones分子模型,层板墙采用Steele的10-4-3模型,流体分子与柱子的相互作用采用点-点(sitetosite)的方法计算。在高度理想化模型的基础上,引入交互作用参数kfw,建立了有效势能模型。通过实验数据确定交互作用参数kfw,从而使该模型能有效地表征流体与层板墙的相互作用。根据77K温度下氮气的实验吸附数据,确定了流体和层板墙间的交互相作用参数。然后用这个有效的参数kfw=0.65模拟了三个超临界温度下氯化锆层柱材料中甲烷的吸附情形,得到了它位的吸附等温线,局部密度分布以有流体分子在层柱微孔中的瞬时构象,并分析了温度对材料吸附性能的影响。结果表明GCMC方法是预测材料吸附性能的一种强有力的工具。     

计算机模拟研究聚合物纳米复合材料的分散与界面

针对聚合物纳米复合材料,系统综述了计算机模拟技术(分子动力学模拟)在纳米颗粒的分散与聚合物-纳米颗粒界面作用取得的成果与进展,包括不同形状纳米颗粒在聚合物基体的分散机理、相行为与微观结构、纳米颗粒对分子链构象的影响(分子链均方回转半径的变化)、分子链在纳米颗粒表面结构(取向与排列)、分子链与纳米颗粒界面作用能、界面区分子链活动性与纳米颗粒形成的网络结构.为构建聚合物纳米复合材料的组成、结构与性能之间的关系,提出了3个模拟方面的挑战,包括发展长时间跨尺度计算机模拟技术、建立准确模拟材料力学性能的方法与导电导热功能性的模拟.     

巨正则系综Monte Carlo模拟方法研究活性炭的微孔尺寸

根据299K下甲烷在活性炭中的吸附实验数据，通过调节狭缝微孔的孔宽参数，利用巨正则系综Monte Carlo（GCEMC）方法得到不同也宽下流体的微观结构以及吸附等温线，比较并拟合模拟结果和实验数据，确定了活性炭微孔的平均孔宽，为下一步求解微孔尺寸分布以及为预测吸附剂在不同温度下吸附不同吸附质分子的吸附性能提供了基础与指导，模拟，甲烷分子采用单点Lennard-Jones球型分子模型，活性炭用狭缝孔来近似表征，流体分子与单个狭缝墙的相互作用采用著名的Steele的10－4－3势能模型，模拟表明，此方法为考察介孔材料的微孔分布以及微孔平均孔宽提供了新的思路。