基于金刚石结构碳的多孔材料设计及储氢性能研究

基于金刚石结构的碳设计了多孔材料,利用GCMC方法对其在温度为298 K,压强为0~100 bar的条件下的储氢量、氢分子分布和等量吸附热进行了讨论.考虑孔内壁以化学吸附的氢在内,PCM-2和PCM-3两种多孔材料的重量储氢量达到了相关机构规定的实际储氢应用的最低标准.氢分子密度分布图表明氢分子在孔道中的分布距离孔道边缘有一定的距离,此距离是因氢分子具有一定的动力学直径所致.等量吸附热表明多孔材料对氢分子的吸附属于物理吸附.     

单层石墨烯储氢的蒙特卡罗模拟

用正则系综蒙特卡罗(GCMC)方法,在77～473K温度和0.1～10MPa压强下,对石墨烯上吸附氢分子进行模拟计算.结果表明:低温及高压条件有利于储氢.在10MPa压强下,随着温度增加,等量吸附热先减少后增加.当温度在291K时,等量吸附热值最低.     

大温度区间氢在活性炭上的吸附平衡分析

分析温度变化对氢在活性炭上等量吸附热的影响,从而为构建活性炭低温吸附储氢系统提供技术支持.选用比表面积为2074 m2.g-1的椰壳型SAC-02活性炭,在低温区间77.15～113.15 K,压力范围0～8 MPa;较高温区间253.15～293.15 K,压力范围0～11 MPa,用Setaram PCT Pro E&E测试氢在活性炭上的吸附等温线,并由Ozawa对吸附相作过热液体的假设确定绝对吸附等温线.根据绝对吸附平衡数据,在不同温度区间进行等量吸附线标绘,确定等量吸附热,并由亨利定律常数确定极限吸附热.结果表明:氢在SAC-02活性炭上低温区间、较高温区间和整个温度区间内的等量吸附热平均值分别为4.80,6.44,5.62 kJ.mol-1,极限吸附热平均值分别为6.89,8.38,7.64 kJ.mol-1,必须选用活性炭吸附储氢温度区域吸附数据的等量吸附线标绘,才能确定用于分析吸附过程热效应的等量吸附热.     

笼型Li6Si5团簇的结构和储氢性能研究

利用密度泛函M06方法,在6-311+G(d, p)基组水平上对Si_5和Li修饰的Si_5团簇的几何结构和电子性质及储氢性能进行理论计算研究.结果表明, Si_5团簇最低能量构型为笼型结构,纯Si_5团簇不能有效吸附氢分子. Li原子的引入显著改善了Si_5团簇的储氢能力.以六个Li原子穴位修饰Si_5团簇为载体,每个Li原子周围可以有效吸附三个氢分子,其氢分子的平均吸附能为2.395 kcal/mol,储氢密度可达16.617 wt%.合适的吸附能和较高储氢密度表明Li修饰Si_5团簇有望成为理想的储氢材料.     

第一性原理研究锂修饰的类石墨烯碳氮纳米结构的储氢性能

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了锂修饰的类石墨烯碳氮纳米结构的储氢性能.结果表明该体系是一种理想的储氢材料,锂原子通过向衬底转移电荷而带正电,通过静电场的极化作用,每个锂原子可以吸附3个氢分子,其储氢的质量比可达11.5 wt%.氢分子的平均吸附能比较理想,可以实现在室温下可逆的储氢和放氢.     

氢分子在活性炭上的吸附特性分析

以探寻氢在碳基材料上适宜的存储条件为目的,在温度区间113～293 K、压力范围0～13MPa测定氢在活性炭LY-1上的平衡吸附数据,应用格子理论导出的通用吸附等温方程,通过吸附平衡态的能量分析、等温方程的线性标绘以及10-4-3吸附势函数的迭代求解,确定氢分子在吸附表面的最大密度、受到的壁面吸附势以及氢分子间作用能.研究结果表明:氢分子在吸附空间以压缩气体的状态聚集,温度和表面遮盖率对氢分子吸附行为的影响明显;温度升高将使氢分子问作用能受压力和表面遮盖率变化的影响加剧;较高的表面遮盖率也使吸附氢分子间作用能随温度、压力以更高的速率变化;改善材料结构和降低储存系统温度可提高碳基材料的储氢性能.     

具有边缘传递网的稀土MOFs(RE-shp-MOF-1,RE-alb-MOF-1)储氢性能模拟研究

应用巨正则蒙特卡洛方法,模拟氢气在RE-shp-MOF-1,RE-alb-MOF-1两类六种金属有机骨架材料中的吸附行为;运用非定域密度泛函理论(Non Local Density Functional Theory)模型,分析了两类金属有机骨架材料的孔径分布.结果表明:在温度为77 K,压强为1000 kPa的条件下,RE-shp-MOF-1和RE-alb-MOF-1均表现出良好的储氢性能,质量储氢密度达到美国能源部氢能源发展路线图的计划目标;由于显著的孔径差异,它们的吸附等温线会出现两个吸附平台;而RE-shp-MOF-1因为拥有更多10～20?孔径的孔,更大的比表面积和孔容,表现出更好的储氢性能,适合作为理想的储氢材料.     

具有边缘传递网的稀土MOFs（RE-shp-MOF-1,RE-alb-MOF-1）储氢性能研究

应用巨正则蒙特卡洛方法,模拟氢气在RE-shp-MOF-1,RE–alb-MOF-1两类六种金属有机骨架材料中的吸附行为;运用非定域密度泛函理论（Non Local Density Functional Theory)模型,分析了两类金属有机骨架材料的孔径分布. 结果表明：在温度为77 K,压强为1000 KPa的条件下,RE-shp-MOF-1和RE-alb-MOF-1均表现出良好的储氢性能,质量储氢密度达到美国能源部氢能源发展路线图的计划目标;由于显著的孔径差异,它们的吸附等温线会出现两个吸附平台;而RE-shp-MOF-1因为拥有更多10～20 Å孔径的孔,更大的比表面积和孔容,表现出更好的储氢性能,适合作为理想的储氢材料.     

Li掺杂硼氮纳米管与氢相互作用的密度泛函研究

采用密度泛函广义梯度近似（GGA）方法研究了碱金属锂原子掺杂硼氮纳米管（BNNT（8,0））与氢分子的相互作用．优化得到了稳定的几何结构,Li@BNNT复合结构可以吸附三个氢分子．通过分析态密度分布和结合能,说明这种结构可以作为一种储氢材料．为碱金属掺杂硼氮纳米管储氢性质的研究提供了基础．     

含氢空位氢化金刚石2维原子晶体体系与硫酸吲哚酚和水分子相互作用的第一性原理计算

基于立方金刚石晶体结构构建了2种2维原子晶体:氢化立方金刚石(hydrogenated cubic diamond, HCD)和含氢空位氢化立方金刚石(hydrogen vacancy-HCD, Hv-HCD);将含氢空位氢化立方金刚石与单层六方氮化硼(h-BN)和石墨烯(graphene, G)组装构建了2种2维原子晶体范德华异质结构:h-BN/Hv-HCD和G/Hv-HCD.根据第一性原理,对含氢空位氢化立方金刚石2维原子晶体体系、硫酸吲哚酚和水分子的Fukui函数进行了计算.研究结果显示,含氢空位氢化立方金刚石2维原子晶体体系的氢空位碳原子具有较大的f+(r)和f-(r)值,表明氢空位碳原子的亲电和亲核反应趋势较为显著.有关能量效应的计算结果表明:水分子与含氢空位氢化立方金刚石2维原子晶体体系的氢空位碳原子形成氢键;硫酸吲哚酚分子在氢空位碳原子位点发生化学分解,生成3-吲哚酮和二氧化硫,原磺酸基羟基与氢空位碳原子结合形成醇羟基.该体系可以作为基于2维原子晶体研发生物活性分子、人体血液毒素分子吸附清除以及检测分析核心材料的参考依据.     

方解石晶体结构及表面活性位点第一性原理

基于密度泛函理论的第一性原理,采用Materials Studio 6.1软件的CASTEP模块对方解石的晶体结构及与水分子及水分子簇的吸附作用进行了研究.结果表明,方解石在参与化学反应时O的活性最强,C和Ca次之;其次确定了最稳定解离面为{101-4}切面,其Ca和O位点与单个水分子形成吸附,且与O位点吸附作用较强,H(H2O)-O(CaCO3)键与H(H2O)-O(H2O)键间形成氢键;{101-4}切面水分子簇相互作用,水分子间及水分子与方解石表面均存在氢键作用,吸附发生在O位点和Ca位点,且主要发生在O位点.     

Highly controlled acetylene accommodation in a metal-organic microporous material

Metal-organic microporous materials (MOMs) have attracted wide scientific attention owing to their unusual structure and properties, as well as commercial interest due to their potential applications in storage, separation and heterogeneous catalysis. One of the advantages of MOMs compared to other microporous materials, such as activated carbons, is their ability to exhibit a variety of pore surface properties such as hydrophilicity and chirality, as a result of the controlled incorporation of organic functional groups into the pore walls. This capability means that the pore surfaces of MOMs could be designed to adsorb specific molecules; but few design strategies for the adsorption of small molecules have been established so far. Here we report high levels of selective sorption of acetylene molecules as compared to a very similar molecule, carbon dioxide, onto the functionalized surface of a MOM. The acetylene molecules are held at a periodic distance from one another by hydrogen bonding between two non-coordinated oxygen atoms in the nanoscale pore wall of the MOM and the two hydrogen atoms of the acetylene molecule. This permits the stable storage of acetylene at a density 200 times the safe compression limit of free acetylene at room temperature.     

甲烷在石墨烯与活性炭上的吸附平衡

］为研制ANG新型碳基吸附剂,分别选用比表面积为2074 m2·g-1的椰壳活性炭SAC-02和345 m2·g-1的石墨烯,在温度区间263~313 K、压力范围0~6 MPa,依据容积法的原理测试了甲烷在其上的吸附平衡数据,并由吸附等温线和等量吸附热的比较,分析了甲烷在两吸附剂上吸附平衡.结果表明:甲烷在活性炭上的过剩吸附等温线为典型的Ⅰ型,而石墨烯上在压力2 MPa以下为Ⅰ型,2~6 MPa之间吸附量与压力接近线性关系.在273 K和6 MPa时,甲烷在石墨烯上吸附量为4.6 mmol·g-1,活性炭的吸附量为11.2 mmol·g-1;甲烷在石墨烯和活性炭上的等量吸附热分别为14.32 kJ·mol-1~2.66 kJ·mol-1和13.99 kJ·mol-1~17.57 kJ·mol-1,石墨烯表面对甲烷分子作用能强     

Hydrogen Adsorption on Metal-Organic Framework MOF-177

This review summarizes the recent literature on the synthesis, characterization, and adsorption properties of meal-organic framework MOF-177. MOF-177 is a porous crystalline material that consists of Zn4O tetrahedrons connected with benzene tribenzoate (BTB) ligands. It is an ideal adsorbent with an exceptionally high specific surface area (BET4500 m2/g), a uniform micropore size distribution with a median pore diameter of 12.7 ?, a large pore volume (2.65 cm3/g), and very promising adsorption properties for hydrogen storage and other gas separation and purification applications. A hydrogen adsorption amount of 19.6 wt.% on MOF-177 at 77 K and 100 bar was observed, and a CO2 uptake of 35 mmol/g on MOF-177 was measured at 45 bar and an ambient temperature. Other hydrogen properties (kinetics and heat of adsorption) along with adsorption of other gases including CO2, CO, CH4, and N2O on MOF-177 were also be discussed. It was observed in experiments that MOF-177 adsorbent tends to degrade or decompose when it is exposed to moisture. Thermogravimetric analysis showed that the structure of MOF-177 remains intact at temperatures below 330℃ under a flow of oxygen, but decomposes to zinc oxide at 420℃.     

H_2和CO_2在金属-有机架构(MOFs)材料中的吸附性质

使用巨正则系综蒙特·卡洛(GCMC)方法以及TEAM力场参数考察了H2和CO2分子在IRMOF-1和IRMOF-16两种晶体材料中的吸附性质,用统计涨落理论计算了客体分子的吸附热,并分析了柔性骨架和刚性骨架对客体分子吸附性质的影响.计算表明,柔性和刚性骨架对吸附量和吸附热影响可以忽略.客体分子的体积吸附量在IRMOF-1中更大,重量吸附量在IRMOF-16中更大.IRMOF-16的吸附热小于IRMOF-1.这些结论都与前人的实验及理论研究相吻合.     

低温环境下煤表面吸附的均匀性试验

 等量吸附热是表征固体表面吸附非均匀性的重要参数.采用高低温吸附仿真实验装置,对九里山无烟煤、新元贫煤、潘北气肥煤进行瓦斯吸附测试,通过计算等量吸附热与吸附量的关系,探讨从常温(30、20℃)降至低温(-10、-20、-30℃)对煤表面不均匀性的影响.结果表明,不同变质程度煤的瓦斯吸附量都随温度降低而增大;在常温时(30、20℃)煤的等量吸附热随吸附量的增大而减小,表明煤表面能量是不均匀的.降温至-10、-20、-30℃时煤的等量吸附热几乎和吸附量无关,表明煤表面是均匀的.煤吸附瓦斯理论Langmuir 方程在低温环境(0℃以下)更加适用.     

正己烷在CaCO3(100)面吸附的第一性原理研究

致密油在储层多孔介质中的吸附研究多以定量的实验研究为主,定性的机理研究较少。以正己烷为对象,从原子分子层面定性研究其在碳酸钙表面的吸附能力,为解释致密油在储层岩石基质上的吸附性提供了有力依据。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了C_6H_(14)分子在CaCO_3(100)面的吸附能,对比分析了吸附前后的物理结构和电子态密度。结果表明:C_6H_(14)分子在B11位吸附最稳定,吸附能为-0.782 4 eV,吸附后键长键角变化率均小于1%,是一种弱化学吸附。不同吸附位的能量差值很小,仅为0.017 8 e V,C_6H_(14)分子容易在CaCO_3表面发生稳定流动。吸附后,C_6H_(14)分子的电子态密度向低能量区域整体偏移约3.1 e V,而CaCO_3(100)面的电子态密度曲线基本重合,吸附作用对C_6H_(14)分子的电子结构影响显著,对CaCO_3(100)面电子结构影响甚微。     

三聚氰胺改性酚醛基多孔碳材料的制备及其二氧化碳吸附性能

采用浓乳液模板法制备三聚氰胺-间苯二酚-甲醛多孔树脂,将其热解后得到了可用于二氧化碳吸附的氮掺杂多孔碳材料。研究了浓乳液模板的分散相体积分数和三聚氰胺含量对多孔碳材料微观形貌的影响,结果表明,在浓乳液模板分散相体积分数为90%的条件下制备的多孔聚合物具有丰富的通孔结构。经过热解后,得到了兼具无机碳骨架和有机氮活性位点的氮掺杂多孔碳材料。进一步研究了不同热解温度和三聚氰胺含量对多孔碳材料二氧化碳吸附性能的影响,二氧化碳的吸附容量最高可达到3.32 mmol/g,同时表现出良好的选择吸附性和再生性。