单壁碳纳米管中甲烷吸附的分子模拟

采用巨正则系统MonteCarlo方法研究了甲烷在单壁碳纳米管(Singlewallcarbonnanotube,SWNT)中于低温74.05K下的吸附等温线及吸附机理,发现在两个较小的孔径(1.225nm和1.632nm)下单壁碳纳米管中甲烷的吸附有着明显的微孔所独有的“填充效应”,而在2.04nm以上的孔的吸附中会出现毛细凝聚现象。通过模拟知道发生毛细凝聚的必要条件是孔内能至少容纳下两层粒子,此外还导出在恒定温度下毛细凝聚吸附量与SWNT孔径关系。本文还模拟了常温300K下甲烷在SWNT内的吸附,对比了2.04nm和4.077nm两种孔径的SWNT吸附甲烷的等温线,推荐在4.077nm孔中的适宜吸附存储压力为5.0～6.0MPa,吸附质量分数可达16%～19%.     

两种双金属MOF-74吸附分离CO2/CH4的分子模拟

采用分子模拟法分别研究了MgZn-MOF-74和MgCu-MOF-74对CO₂/CH₄混合物吸附分离。首先使用Dmol3模块计算原子电荷和Forcite模块优化掺入不同比例金属离子的骨架结构;接着使用Sorption模块分别模拟吸附单组分CO₂和CO₂/CH₄混合体系的吸附等温线,然后计算混合体系的选择性系数;最后使用Forcite分析金属离子与气体分子的径向分布函数。通过模拟得到的吸附单组分CO₂的吸附等温线可以发现,压力小于200 kPa时Mg5Zn5-MOF-74的吸附能力最强,173 kPa时吸附量为6.3 mmol/g。压力大于1500 kPa时,Mg9Zn1-MOF-74的吸附量比其他MOFs高,最高达23.9 mmol/g,吸附量从大到小排序为：Mg9Zn1-MOF-74>Mg7Zn3-MOF-74>Mg5Zn5-MOF-74>Mg-MOF-74>Zn-MOF-74。对于Cu掺入的Mg-MOF-74,吸附量比原始的Mg...     

ZIF-8材料中CH4/H2吸附与扩散的分子模拟

采用平衡分子动力学和巨正则系综蒙特卡洛模拟方法对多孔沸石咪唑酯骨架材料(ZIF-8)中CH4和H2分子的吸附与扩散特性进行了比较研究.结果表明,采用柔性力场能够很好地复制ZIF-8在不同压力或温度条件下的晶体结构,也能准确地计算不同温度下CH4和H2分子在ZIF-8中的扩散系数,特别是高温下CH4分子因能够摆脱ZIF-8骨架笼口的空间限制而使其扩散系数出现大幅提升.同时,该力场也能粗略地模拟CH4和H2分子在ZIF-8中的等温吸附曲线,通过自编程序得到吸附和扩散平衡时CH4和H2分子在ZIF-8单元晶胞内的几率密度分布数据,并利用VMD软件可视化.结果显示CH4和H2分子在ZIF-8中的优先吸附位置均在大孔中心靠近咪唑环的区域,但CH4分子的优先吸附位置有两个不同层次,而H2分子的优先吸附位置只有一个层次,说明CH4和H2分子在ZIF-8中存在着不同的吸附机理.     

中分子毒素在碳纳米管上的吸附

研究了两种不同形态的碳纳米管(随机生长多壁碳纳米管(MWCNTs)及定向生长多壁碳纳米管(ACNTs))对典型中分子毒素的吸附性能. 并与两种现有商用血液灌流吸附材料(活性炭(AC)及大孔吸附树脂(MR))进行了对比. 结果显示, 碳纳米管(CNTs)具有优异的中分子吸附能力, 其中MWCNTs对典型中分子毒素的吸附量可达47.18 mg·g-1, 为活性炭的10.8倍, 为大孔吸附树脂的5.5倍. 此外, 碳纳米管的吸附非常迅速, 中分子毒素在MWCNTs及ACNTs达到吸附平衡的时间仅为10 min和15 min, 而活性炭及大孔吸附树脂则分别需要60 min及120 min. 碳纳米管优异的吸附性能得益于其独特的微观结构所形成的发达的中孔. 因此, 碳纳米管可望成为高效的吸附材料, 应用于血液灌流中.     

ZIF-8吸附剂上CH4/N2的吸附分离性能与热力学性质

将沸石咪唑酯骨架结构材料应用于抽放煤层甲烷的浓缩净化研究。以三乙胺(TEA)为导向剂,ZnSO₄为金属离子源,水为溶剂,采用水热合成法进行了ZIF-8吸附剂的制备。采用XRD、物理吸附、动态吸附分离和反相气相色谱(IGC)等方法对ZIF-8的物理结构、化学稳定性、吸附分离性能和热力学性质进行了研究。结果表明,ZIF-8具有良好的化学稳定性,能够在强酸、强碱和强极性的溶剂中保持结构的稳定性;在298 K时,ZIF-8对CH₄/N₂的分离因子达到3.4,与活性炭相当,但CH₄、N₂在ZIF-8上的吸附热比在活性炭上低20%左右。     

H2分子在碱金属掺杂碳纳米管上的吸附特性

采用密度泛函理论研究了H₂在碱金属(M=Li, K)掺杂的扶手椅型单壁碳纳米管上的吸附. 对于碱金属管内掺杂, 模拟了4种氢吸附构型; 对于管外掺杂, 考虑了两种吸附结构, 同时还考虑了两种不同的掺杂浓度. 所有吸附模型都进行了全优化. 计算结果表明, 碱金属掺杂后, 碱金属与碳纳米管之间发生电子授受作用使得碱金属带正电荷, 对于金属Li, 管内掺杂更有利于电子向碳纳米管转移; 与管内掺杂相比, Li原子的管外掺杂更有利于H2分子吸附. 碱金属管外掺杂的碳纳米管吸附H₂的最稳定结构, 存在碱金属原子与H₂分子的配位作用.     

晶种法合成UZM-9分子筛及其CO2/CH4/N2吸附分离性能

以TEAOH和TMAOH为有机模板剂,酸处理的UZM-9分子筛为晶种,采用水热法在48 h内合成出分子筛UZM-9,并对其CO₂/CH₄/N₂的吸附分离性能进行了研究。采用XRD、ICP、TG、SEM与气体吸附等手段对晶种法合成的UZM-9分子筛结构、耐水稳定性与吸附性能进行了研究。结果表明,晶种法可以在2 d内合成出硅铝原子比在3以上、收率达到65%的UZM-9分子筛;所得分子筛的CO₂吸附容量可以达到5 mmol/g以上,吸附热为34 kJ/mol,CO₂/CH₄、CO₂/N₂与CH₄/N₂的平均分离因子分别为100、240与2.4,CO₂分离性能优良且具有一定耐水性能。     

单壁碳纳米管吸附氢气的计算机模拟

采用巨正则系统的蒙特卡罗方法（GCMC）模拟常温（T－293K）时氢气在单壁碳纳米管中的吸附过程,氢气分之间、氢气分子与碳原子之间的相互作用采用Lennard-Jones模型,其中,将氢气对整个碳纳米管中所有碳原子的作用进行加和,以获得氢气分子与单根给定半戏的碳纳米管的相互作用模型,研究和讨论了5种半径的碳纳米管在293K时的吸附等温线以及在293K和5MPa时给定半径的碳纳米管的吸附量随管间距离的变化。     

多壁碳纳米管/聚丙烯酸/MOF-5的制备及其N2吸附性能

用化学修饰法制备出复合物多壁碳纳米管/聚丙烯酸(MWCNTs/PAA),用溶剂热法合成Zn₄O(1,4-benzenedicarboxylate)₃(MOF-5)和MWCNTs/PAA/MOF-5。通过XRD、FTIR、TG、HRTEM和比表面积和孔隙度分析仪对MWCNTs,MOF-5,MWCNTs/PAA和MWCNTs/PAA/MOF-5的结构和性质进行表征。结果表明:复合材料MWCNTs/PAA中PAA包覆在碳纳米管外壁上,含量为4.3%,在FTIR中有PAA特征官能团的吸收峰;MWCNTs/PAA/MOF-5和MOF-5的形貌一样,MWCNTs/PAA/MOF-5的热分解温度比MOF-5的提高了49℃;MOF-5和MWCNTs/PAA/MOF-5的N₂吸附曲线为Ⅰ型,77K和100kPa条件下,N₂的吸附量达到最大值,分别为265、299.03 cm³·g^-1。     

H2S在立方ZrO2(110)面的吸附与解离

采用量子化学的密度泛甬理论方法,探讨了H2S、HS和S在立方ZrO2(110)面上不同吸附位的吸附情况.构型优化的结果表明:在bridge位H2S以垂直底物平面H原子向上、垂直底物平面H原子向下、平行底物平面和hollow位H2S平行底物平面模式吸附在ZrO2(110)面发生解离吸附.SH和S的最佳吸附位分别为桥位和顶位.Mulliken布局和态密度分析显示S原子的p轨道与Zr原子的d轨道发生相互作用.通过计算解离反应的能垒,表明H2S分子在立方ZrO2(110)面发生两步解离.     

Absorption and Structural Property of Ethanol/Water Mixture with Carbon Nanotubes

Molecular dynamics (MD) simulations are performed to study the structure and adsorption of ethanol/water mixture within carbon nanotubes (CNTs). Inside the (6,6) and (10,10) CNTs, there are always almost full of ethanol molecules and hardly water molecules. Inside wider CNTs, there are some water molecules, while the ethanol mass fractions inside the CNTs are still much higher than the corresponding bulk values. A series of structural analysis for the molecules inside and outside the CNTs are performed, including the distributions of radial, axial, angular density, orientation, and the number of hydrogen bonds. The angular density distribution of the molecules in the first solvation shell outside the CNTs indicates that the methyl groups of ethanol molecules have the strongest interaction with the carbon wall, and are pinned to the centers of the hexagons of the CNTs. Based on the understanding of the microscopic mechanism of these phenomena, we propose that the CNTs prefer to contain ethanol rather than methanol.     

单壁碳纳米管上毒性苯气体净化的分子模拟

采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法研究了空气中微量苯组分在单臂碳纳米管(SWNTs)上的吸附净化. 模拟表明, 具有较大孔径的(20,20)纳米管比较适合吸附纯苯蒸汽, 而对于移除空气中的毒性苯物质, 苯的吸附选择性分别在(12,12)纳米管及4.0 MPa时和(18,18)纳米管及0.1 MPa时出现最小值和最大值. 为了解释这一异常行为, 我们进一步分析了N₂-O₂-C₆H₆混合物的局部密度分布、吸附分子构型和概率密度分布, 发现(18,18)纳米管内外完全被苯分子占据, 而对于(12,12)纳米管, 由于存在更强的吸附质-吸附剂相互作用, 空气分子更倾向于吸附在管与管之间的间隙. 此外, 吸附分子的空间有序参数表明大多数苯分子采取“平躺”在纳米管表面的定位, 而线性的N₂和O₂分子则多数平行于孔轴方向. 最后研究了温度和苯分子主体相浓度对分离效果的影响. 我们发现较大孔中的选择性随着温度的增加比小孔下降更加明显. 与此对比, 主体相苯浓度对小孔中的选择性起到更加重要的作用.     

单壁碳纳米管上毒性苯气体净化的分子模拟(英文)

采用巨正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法研究了空气中微量苯组分在单臂碳纳米管(SWNTs)上的吸附净化.模拟表明,具有较大孔径的(20,20)纳米管比较适合吸附纯苯蒸汽,而对于移除空气中的毒性苯物质,苯的吸附选择性分别在(12,12)纳米管及4.0 MPa时和(18,18)纳米管及0.1 MPa时出现最小值和最大值.为了解释这一异常行为,我们进一步分析了N2-O2-C6H6混合物的局部密度分布、吸附分子构型和概率密度分布,发现(18,18)纳米管内外完全被苯分子占据,而对于(12,12)纳米管,由于存在更强的吸附质-吸附剂相互作用,空气分子更倾向于吸附在管与管之间的间隙.此外,吸附分子的空间有序参数表明大多数苯分子采取"平躺"在纳米管表面的定位,而线性的N2和O2分子则多数平行于孔轴方向.最后研究了温度和苯分子主体相浓度对分离效果的影响.我们发现较大孔中的选择性随着温度的增加比小孔下降更加明显.与此对比,主体相苯浓度对小孔中的选择性起到更加重要的作用.     

聚乙烯链在碳纳米管侧壁吸附的动力学模拟研究

利用经典的分子动力学模拟方法对聚乙烯(PE)分子在两种不同类型的碳纳米管(CNT)中的吸附进行了研究. 计算了两者之间的扩散系数和相互作用能; 利用PE链自身的扭转角分布和取向参数对PE链构象进行了分析. 结果表明, PE链可以在CNT上很好的吸附, 且PE的构象和吸附位置主要与温度和CNT的半径有关, 与管的类型关系不大.     

低聚乙烯链在碳纳米管侧壁上的图案化吸附

碳纳米管（CNTs）自1991年被发现以来,已经在各个领域,尤其是在材料领域被深入研究．CNT作为添加剂与高分子形成的复合材料已被大量的制备并报道．实验室制备的CNTs中,含有5-7缺陷对的CNTs占很大一部分．Chico等引入5-7缺陷对将不同的CNTs连接起来形成类二极管的异质结．目前,对含有异质结的CNTs的研究大都停留在CNTs本身的结构与电学性质的研究上．而在材料领域对其与高分子形成复合材料的研究非常少．用理论的方法从原子角度来研究含有异质结的CNTs／高分子复合材料具有实际意义．     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1:1的甲醇-水混合溶液在纳米碳管(CNT)中的静态结构以及输运行为.研究发现:在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失.另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

分子动力学模拟研究纳米碳管中甲醇-水混合溶液的结构与输运性质

利用分子动力学模拟方法,对比考察了平衡条件、外压作用、梯度电场作用下,摩尔比为1：1 的甲醇-水混合溶液在纳米碳管（CNT）中的静态结构以及输运行为. 研究发现：在平衡体系与外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现出明显的不混溶现象,甲醇主要分布于管壁附近,水分子主要分布于纳米碳管轴心附近;而在梯度电场作用下,纳米碳管由疏水性向亲水性转变,更多的水分子分布于管壁,导致纳米碳管内甲醇-水的不混溶现象消失. 另一方面,在外压作用下,纳米碳管内甲醇与水呈现单向移动;而在梯度电场下,甲醇与水呈现快速的双向移动,其流通量较相应外压作用体系高出近一个数量级,但由于双向的流通量大小相近,导致净流通量与外压作用下的净流通量差异不大.     

不同分子量木质素磺酸钠对多壁碳纳米管分散性能的影响

研究了不同分子量级分的木质素磺酸钠(SLS)在多壁碳纳米管(MWCNTs)上的吸附特征及其对分散性能的影响.不同级分的SLS及其对MWCNTs的分散性能通过凝胶渗透色谱(GPC),紫外-可见(UV-Vis)光谱、元素分析、傅里叶变换红外(FT-IR)光谱、zeta电位、扫描电子显微镜(SEM)来表征.结果表明,分子量较大的SLS级分中芳香环含量较高,其与MWCNTs之间的π-π作用更强,在MWCNTs上的吸附量大,表现出最佳的分散性能,所分散的MWCNTs的电阻率最小,导电性能较佳.     

单一导电属性及手性单壁碳纳米管的分离技术

综述了基于生长后处理策略下单一导电属性及手性单壁碳纳米管(SWCNTs)分离技术的研究进展, 阐述了SWCNTs 的选择性分离原理, 并比较了不同分离技术在分离纯度、效率、成本以及可规模化等方面的优缺点, 为SWCNTs 分离技术的发展及应用提供了方向性指导.