分子模拟研究微孔材料对光气吸附扩散性能的影响及材料筛选

利用分子模拟的方法研究了微量光气(COCl₂)在微孔材料中的吸附和扩散性能, 并分析了材料结构的影响. 结果表明, 光气在金属有机框架材料(MOF)和共价有机框架材料(COF)中的吸附等温线主要表现为第Ⅰ类型和第Ⅴ类型吸附. 当光气压力较低时, COF材料和含有开放金属位点的材料对其吸附性能较好. 通过对不同压力下吸附量的比较发现, 吸附达到饱和前, 随着压力和孔隙率(VF)的升高, 材料对光气的吸附量增大. 通过分子动力学模拟研究光气在微孔材料中的扩散性能发现, 较强吸附位点的存在不利于光气在孔道中的扩散. 通过气体分子在材料中的径向函数分布图及模拟轨迹分析发现, 分子协同效应和空间位阻效应相互竞争决定了扩散速率的快慢. 综合评价材料的吸附和扩散性能发现, COF-102, COF-300, ZnMOF-74, Zn-DOBDC和PCN-60是理想的吸附材料, 这些材料可以应用于环境中光气泄漏的防治.     

多孔石墨烯分离CH4/CO2的分子动力学模拟

采用分子动力学方法模拟CH₄/CO₂混合气体在多孔石墨烯分离膜中的分离过程, 分析了3 种纳米孔功能化修饰(N/H 修饰、全H修饰和N/―CH₃修饰)对分离过程的影响规律. 模拟结果表明气体分子会在石墨烯表面形成吸附层, CO₂分子的吸附强度高于CH₄分子. 纳米孔的功能化修饰不仅减小了纳米孔的可渗透面积, 还通过影响纳米孔边缘原子的电荷分布提高了气体分子的吸附强度, 进而影响了混合气体分子在多孔石墨烯分离膜中的渗透性和选择性. CO₂分子在多孔石墨烯中的渗透率能达到10⁶ GPU (1 GPU=3.35×10^-10 mol·s^-1·m^-2·Pa^-1), 远远高于传统的聚合物分离膜. 研究表明多孔石墨烯分离膜在天然气处理、CO₂捕获等工业气体分离过程中具有广泛的应用前景.     

二维金属-六亚氨基苯框架材料的气体吸附效应

利用密度泛函理论研究了气体分子(NH₃, H₂O, H₂S, NO₂)吸附在二维M₃(HIB)₂(M=Ni, Cu; HIB为六亚氨基苯)薄膜上体系的几何结构和电子结构的变化. 结果表明, 2种薄膜对气体分子的响应不同. 其中NH₃, H₂O和H₂S在M₃(HIB)₂薄膜表面的吸附较弱, 主要与薄膜的亚氨基形成氢键, 吸附能均小于-0.36 eV, 吸附对体系电子性质的影响很小. 但是 NO₂分子在薄膜表面形成化学吸附, 吸附能在-0.65~-1.72 eV范围内. 吸附NO₂分子使其电子结构发生明显改变, 如Cu₃(HIB)₂在费米能级处打开带隙, 由金属性质转变为半导体性质. 这是由于NO₂分子的p_z轨道与金属原子$d_{z}^{2}$ 轨道发生了强烈的轨道杂化. 此外, 研究发现高浓度的NO₂分子吸附能够使Ni₃(HIB)₂薄膜由非磁性变为磁性体系, 由普通金属性质变为半金属性质; 而高浓度的NO₂分子使Cu₃(HIB)₂薄膜由金属性质变为半导体性质, 薄膜电导率降低.     

Bi2S3对有机溶剂中碘的吸附性能研究

含铋材料相比于含银碘吸附剂具有制备成本低、碘吸附容量高，吸附速率快等优点，在含碘废物的处理领域具有潜在的应用价值。本文以二甲亚砜和水作溶剂，五水硝酸铋和硫粉为原料制备Bi₂S₃。并以它作为碘吸附剂，研究其对环己烷中I₂的吸附性能。吸附动力学拟合数据表明，Bi₂S₃对I₂的吸附服从准二级动力学方程，主要为化学吸附。Bi₂S₃对I₂的最大吸附容量可达2234 mg/g。由扫描电子显微镜和X-射线衍射光谱分析结果可知，I₂被Bi₂S₃成功吸附，所吸附的I₂主要以BiI₃和BiOI的形式存在。此工作表明含铋材料在含碘废物的处理领域具有潜在的应用价值。     

Pt掺杂碳纳米管吸附气体小分子的DFT计算

利用B3LYP/LANL2DZ方法对Pt掺杂(5,5)单壁碳纳米管(SCNT)吸附SO₂, HCHO和CO₂三种气体小分子进行了详细的理论计算. 通过分析吸附气体分子前后Pt掺杂SCNT的几何结构、电子态密度变化、前线轨道成分HOMO-LUMO能隙和红外光谱特征, 给出了SCNT-Pt是否有潜力检测这三种气体分子的理论依据.     

H2分子在Li3N(100)表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法研究了H₂分子在两种Li₃N(100)晶面的表面吸附情况. 通过研究Li₃N(100)/H₂体系的吸附位置、吸附能和电子结构, 发现H₂分子在Li₃N(100)晶面主要是化学吸附, 但也可以发生物理吸附. 在表面终止原子为Li和N的Li₃N(100)表面, 吸附的最稳定结构中H₂分子被解离, 最终H原子分别趋于两个N原子的顶位, 形成两个NH基, 吸附能为5.157 eV, 属于强化学吸附|此时H₂分子与Li₃N(100)表面的相互作用主要源于H1s轨道与Li₃N表层N原子的2s, 2p轨道重叠杂化的贡献, 且N-H键为共价键. 在表面终止原子为Li的Li₃N(100)表面, 吸附的最稳定结构中H₂分子也被解离, H原子趋于穴位, 吸附能为2.464 eV, 也属于强化学吸附|此时Li和Ｈ之间为较强的离子键相互作用.     

石墨烯吸附TiCl4分子的条件控制及光电性能的理论研究

为研究石墨烯吸附TiCl₄分子的影响因素及其光电性能,探索复合物应用于传感器及透明导电薄膜的可能性,采用第一性原理与蒙特卡罗方法研究TiCl₄气体分子在石墨烯表面的吸附条件控制与光电性能。结果表明：(1)石墨烯对TiCl₄气体分子具有较强的物理吸附作用,Cl原子吸附在其附近相距质心位置最远的碳原子顶位最稳定;(2)温度升高不利于TiCl₄气体分子吸附,气体逸度增加有利于吸附,TiCl₄气体分子插入石墨/双层石墨烯/多层石墨烯时宜将温度维持在TiCl₄沸点附近,并增加气体的压力;(3) TiCl₄的吸附对石墨烯的电子结构进行了调控,使费米能级附近的态密度显著提高,赝能隙减小,有效提高了导电性能;(4)在可见光区域,TiCl₄的吸附对体系的吸收性能影响不大,在提升透明导电薄膜导电性的同时未影响薄膜的光学性能。     

二氧化钛包裹碘单质(I2/TiO2)制备及其光催化降解苯酚

采用水热法,以Ti(SO₄)₂为钛源,KIO₃为掺碘剂制备了具有高可见光活性,高稳定性的二氧化钛包裹碘单质(I₂/TiO₂)光催化剂.利用X射线光电子能谱(XPS)、X射线晶体粉末衍射(XRD)、透射电子显微镜(TEM)和紫外可见漫反射光谱(DRS)等表征手段对样品进行表征.结果表明,I₂/TiO₂中除含有锐钛矿相二氧化钛外、还含有碘单质和碘酸;I₂/TiO₂粒径大小为45 nm左右;在波长384 nm至700 nm范围内,该催化剂有强烈的吸收.探讨了该催化剂的形成过程和可见光催化机理.以苯酚降解反应为探针,测定了I₂/TiO₂光催化活性.结果显示:在全谱光源照射下I₂/TiO₂活性略高于P25,在可见光范围内其活性是P25的3倍多.确定了降解苯酚的最佳条件:全谱光源照射,投加量为0.5 g/L,苯酚浓度大于10 mg/L,溶液pH为3.2.I₂/TiO₂重复使用4次后,催化活性没有明显下降.     

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.     

基于密度泛函理论的燃煤飞灰未燃尽碳与烟气砷作用机理

基于密度泛函理论研究了燃煤飞灰中未燃尽碳(unburned carbon,UBC)组分对气态单质砷As及其氧化物AsO、AsO₂和As₂O₃的作用机理。结果表明,单质砷优先吸附于碳桥位,吸附能在(-5.95)-(-5.88)eV。AsO分子中的砷、氧原子分别与碳原子成键时,吸附构型最稳定,吸附能最低为-7.87eV。当AsO₂在未燃尽碳表面解离形成一个AsO和表面活性氧时,体系最稳定,吸附能为-10.65eV。当三角双锥As₂O₃分子以两个氧原子首先碰撞未燃尽碳表面时,将解离形成AsO和AsO₂小分子,并分别与表面碳成键,此时体系吸附能相较于未解离情形而言显著降低,达到-10.64eV。飞灰未燃尽碳与AsO或AsO₂小分子的结合较紧密,局部倾向于形成特殊的五元环结构。毒性最强的三价态砷As₂O₃,相较于As、AsO和AsO₂而言,化学性质稳定,不易...     

1,3,5-三硝基苯在高岭石表面吸附的理论研究

构造了高岭石硅氧层和铝氧层的团簇模型(分别为Si₁₃O₃₇H₂₂和Al₆O₂₄H₃₀), 并分别在B3LYP/6-31G(d), MP2/6-31G(d)//B3LYP/6-31G(d)和B3LYP/6-311++G(d,p)//B3LYP/6-31G(d)理论水平上对1,3,5-三硝基苯(TNB)在高岭石表面的吸附性质(如优化的几何构型、 结构参数、 吸附能、 振动频率、 静电势和分子轨道等)进行了研究. 结果表明, TNB和硅氧层表面间的相互作用以静电和范德华相互作用为主; TNB与铝氧层间的相互作用以氢键为主, 且TNB和铝氧层间相互作用的能量更低, 结构更稳定.     

DNA碱基(对)及其Zn2+复合物对CO2,N2,H2小分子的吸附

用M062X/6-31+G^*方法探讨了腺嘌呤(A)、 胸腺嘧啶(T)、 鸟嘌呤(G)、 胞嘧啶(C)及其碱基对(AT, GC)以及Zn²⁺复合物(AAA-Zn²⁺, AAT-Zn²⁺和GGC-Zn²⁺)对混合小分子H₂, N₂, CO₂的吸附情况, 系统研究了其相互作用模式及吸附强度, 预测了常见混合气体分子与碱基(对)及复合物的吸附位置. 研究表明, CO₂倾向于以氢键的形式结合到碱基(对)的氨基氢或亚氨基氢上, 而N₂和H₂分子则倾向于结合到这些碱基(对)的平面π电子上, 以堆垛的形式存在. 根据吸附强度大小, 预测了由这些碱基为骨架合成的金属有机骨架(MOF)吸附材料对小分子的选择性吸附顺序为H₂22. 研究表明, 以AT对结合金属Zn²⁺为节点的纯天然碱基对构成的MOF要比实验合成的AA碱基对与Zn²⁺结合的MOF具备更好的吸附和分离性能.     

UTSA-280的氨改性以及C2H4/C2H6分离性能研究

炼厂干气中回收乙烯是扩宽C₂H₄来源的有效途径,但C₂H₄和C₂H₆物理性质和分子尺寸非常接近,分离困难.金属有机骨架材料（MOFs）近年来在低碳烃分离领域展现出广阔的前景.本工作采用氨吸附改性调节UTSA-280的结构,通过一维直孔道大小的调节实现C₂H₄/C₂H₆的高效分离.改性后的UTSA-280具有独特的超微孔结构能提升C₂H₄的吸附,而完全不吸附稍大的C₂H₆,实现理想的C₂H₄/C₂H₆吸附选择性（>1000）.结果表明,改性后的UTSA-280的C₂H₄吸附量可提高至2.83 mmol/g,与未改性的材料相比增加29%,并且能阻挡C₂H₆的吸附,最终达到>1200的C₂H₄/C₂H₆选择性.蒙特卡罗分子模拟（GCMC）计算C₂H₄/C₂H₆混合气体（1：1）的吸附得出,改性后UTSA-280孔内的C₂H₄吸附相比于C₂H₆具有更多的吸附分布.通过C₂H₄/C₂H₆混合气体穿透实验测试,改性后的UTSA-280材料能展现出48 min以上的分离时间,相比于未改性的材料,分离性能提升近1倍.     

O4:从猜想到证实

20世纪20年代,美国化学家吉尔伯特·牛顿·路易斯提出O₄分子存在的猜想。20世纪70年代,科学家利用红外光谱和可见光谱发现了由2个O₂分子相互作用形成的O₄二聚体。20世纪80年代,科学家通过理论计算提出存在亚稳态共价O₄分子。共价O₄分子作为氧元素同素异形体被认为是一种潜在的高能量密度材料。2007年,科学家通过评估共价O₄分子的稳定性,确定了共价O₄分子可被实验检测到。O₄的发现史是从猜想到证实的过程,也是科学技术不断进步、科学思想演变发展的过程。     

离子对生成反应Li+I2→Li++I2-的理论研究:从头算势能面和反应几率

采用QCISD(T)方法进行了构型优化及势能面扫描.电荷布居分析采用QCISD,对Li+I₂→Li++I₂^-离子对生成反应进行了系统的从头算理论研究:(1)构筑了两电子态(离子性²B₂态和中性分子2A1态)的完全从头算势能面,找到了两电子态势能面上的最低能量反应途径及两势能曲面的交线,据此确定了离子态与中性分子态之间的最可几交叉半径(R_c^max),计算了该处电子精细结构,得到的电子亲合能和解离能与实验光谱数据相吻合;(2)用Landau-Zener公式计算了离子对生成几率,发现了散射共振态的存在,这一结果与Na+I2→Na⁺+I₂^-体系非常相似,并比较了可得到的实验数据.     

钇对石墨烯储氢性能的影响

应用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究过渡金属钇（Y）修饰对石墨烯储氢性能的影响。考虑Y原子在石墨烯上易形成团簇,采用B原子掺杂有效阻止了团簇形成。通过模拟计算得到的改性体系稳定、储氢性能优异,可吸附6个H₂分子,平均吸附能范围为-0.539到-0.655 eV （per H₂）,理论上满足理想的氢吸附能范围。经Bader电荷初步计算和基于Y/B/graphene （G）体系吸附H₂分子的电子态密度及电荷差分密度图分析得,Y原子与石墨烯间通过电荷转移产生结合,与H₂分子则发生典型的Kubas型相互作用。Y原子改变了H₂分子与石墨烯基的电荷分布,成为连接两者电子云的桥梁,从而增强了H₂分子的吸附能。改性石墨烯体系吸附的均为氢分子,有利于在环境温度和压力条件下进行循环控制,是具有良好发展前景的储氢材料之一。     

Sc3C2@C80与[12]CPP纳米环之间非共价相互作用的理论研究

金属富勒烯嵌套于纳米环内形成主客体系, 二者产生的主客体作用可诱导内部金属团簇的取向, 影响分子的电子结构等性质. 本文基于密度泛函理论(DFT)计算, 对碳纳米环[12]CPP(CPP=环苯撑, 主体分子)与金属富勒烯Sc₃C₂@C₈₀(客体分子)形成的主客体配合物的结构和性质进行了研究. 计算结果表明, 在最稳定构型中, [12]CPP呈现椭圆形, Sc₃C₂@C₈₀与[12]CPP的质心不再重合. Sc₃C₂@C₈₀在[12]CPP内旋转对构型总体能量影响仅为13.51 kJ/mol. [12]CPP向Sc₃C₂@C₈₀转移了0.03 e, 主客体分子之间存在弱相互作用. 对二者相互作用的分析结果表明, 色散作用在弱相互作用中占主导地位.     

基于咔唑羧酸配体构筑铁基金属有机框架及其对CO2/CH4混合气体的分离性质

通过咔唑羧酸配体(H₃L)与三核铁簇[Fe₃(μ₃-O)(CH₃COO)₆]在水热条件下反应, 合成了具有三维骨架结构的铁基金属有机框架(1). 气体吸附实验结果表明, 化合物1具有高的比表面积且对CO₂的吸附量大于对CH₄的吸附量. 理想溶液吸附理论(IAST)计算结果表明, 化合物1在100 kPa及温度分别为273和298 K下对CO₂/CH₄(体积比为0.5∶0.5)混合气体的分离比分别为3.52和3.15, 预示其可以作为一种CO₂/CH₄分离型材料.     

Sn(MSA)2电镀液体系表面活性剂性能优化的模拟研究

在本工作中,我们利用粗粒化分子动力学(MD)模拟方法,研究了两亲性表面活性剂构型及浓度对Sn(MSA)₂类电镀液体相溶液与铜基板周围电镀液微观结构的影响,从分子水平系统考察了主盐离子、表面活性剂与甲醛添加剂的分布和聚集情况,及其与铜基板的相互作用.研究表明,A₄B₁₂型表面活性剂的疏水链段(A₄)协同效应较强,易在溶液中形成胶束,在基板上吸附能力有限;A₂B₁₂A₂疏水链较短,B₆A₄B₆疏水链居中,该两种表面活性剂在溶液中难以聚集,易充分吸附于基板之上;(AB₃)₄型表面活性剂在体相溶液中充分分散,在基板上的吸附能力有限.A₂B₁₂A₂及B₆A₄B₆型表面活性剂的充分吸附,有助于金属离子及甲醛添...     

H2分子在Mg3N2表面吸附的第一性原理研究

采用第一性原理方法,通过计算表面能确定Mg₃N₂（011）为最稳定的吸附表面,分别研究了H₂分子在Mg₃N₂（011）三种终止表面的吸附性质.研究发现H₂分子平行表面放置更有利于吸附,表面能最低的终止表面Model Ⅱ上吸附H₂分子最稳定,主要存在三种化学吸附方式：第一种吸附方式,H₂分子解离成2个H原子分别吸附在N原子上形成双NH基,这是最佳吸附方式;此时H₂分子与Mg₃N₂表面间主要是H原子的1s轨道和N原子的2s、2p轨道发生作用,N-H之间为典型的共价键.第二种吸附方式中H₂分子部分解离,两个H原子吸附在同一个N原子上形成NH₂基.第三种吸附方式中H₂分子解离成两个H原子,一个H原子和表面N原子作用形成NH基,另一个H原子和表面Mg原子作用形成MgH结构.三种吸附方式不存在竞争关系,形成双NH基的吸附方式反应能垒最低,最容易发生.除此之外H₂还能以分子的形式吸附在晶体表面,形成物理吸附.