常见工业废气基于SiO2纳米孔吸附的模拟计算研究

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本文运用分子动力学方法,基于Materials Studio(MS)软件中Sorption模块对CH4、SO2、CO2、NO2、HF、H2S、CO七种工业常见气体吸附在不同纳米孔SiO2材料中吸附现象进行模拟计算研究,探究拟七种气体的吸附差异。一方面,通过分析温度、孔径等因素对气体吸附的影响,探究单一态气体在其孔腔中的吸附差异。另一方面,探究水分子存在下的气体吸附的变化,同时完成了两两气体竞争吸附,对SiO2纳米孔中基于水分子存在的气体吸附及混合竞争性吸附进行研究。其中,SiO2纳米孔模型的构建是通过MS软件中自带SiO2-quartz晶饱参数导入,并将其进行超晶胞处理,转换成三维(3D)周期性构型,然后从其中删除一定孔径的原子,通过工具栏Adjust Hydrogen对其孔内自动加氢,即完成SiO2纳米孔内表面羟基化,呈现键饱和状态,分别得到内径为1 nm,1.5 nm,2 nm纳米孔的SiO2模型。为了使模拟体系更接近真实状况,设置周期性边界条件(10 nm×10 nm×5 nm),选取能量精度FINE、COMPASS力场、NVT系综,对其模拟体系进行分子动力学计算,获得模型平衡态。通过对平衡体系进行均相位移(MSD)和径向分布函数(RDF)的计算及分析,探究拟定七种气体在不同纳米孔径的SiO2材料中的吸附差异。研究发现:1、在所有被研究的气体中,CH4和CO两者在SiO2纳米孔径中的吸附状态为束缚态,表现为被研究气体中吸附能力最强。对于SO2、HF、H2S、CO2四种吸附体系,其气体分子除了吸附在SiO2纳米孔壁外(形成束缚态),还有大量的自由态存在。值得注意的是,NO2吸附体系出现了单侧吸附的现象,这与其他研究体系的吸附分布不同。2、温度和孔径因素对气体吸附的影响很大,尤其是NO2吸附体系在不同温度下,出现了不同侧吸附的现象,其吸附区域的规律性不固定。对CH4体系来说,当孔径增大,其气体的被吸附能力降低,而对于SO2体系,反而增强了对其气体的吸附性。3、在水分子存在的情况下,气体被吸附存在一些特征性变化,如在CH4和CO吸附体系中,其气体分子在SiO2纳米孔中没有束缚态,并且还极少以自由态吸附在其孔腔中,而大量水分子则以束缚态的方式吸附在其孔壁内,并且还有自由态吸附出现,推测这与水分子与其孔中羟基形成氢键有关。4、在被选用的1 nm孔径SiO2中,两两气体的竞争与单组分气体的吸附状态存在着较大的差异性,如对于SO2/NO2和NO2/CO两个吸附体系,不再出现明显的如NO2单组分单侧吸附现象。
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