天然氣蘊藏在地下多孔隙巖層中，包括油田氣、氣田氣、煤層氣、泥火山氣和生物生成氣等，也有少量出于煤層，主要用途是作燃料，可制造炭黑、化學藥品和液化石油氣，是優質燃料和化工原料。天然氣由氣態低分子烴和非烴氣體混合組成，主要成分烷烴，其中甲烷占絕大多數，因此，本教程采用甲烷代表天然氣模擬多孔介質中的吸附。模型建立：CH4：打開建立的Project，從菜單欄中選擇 File|Import...  點擊 Import 按鈕打開 Import Document 對話框，選擇Structures/organics 然后選擇 methane.msi，最后點擊 Open 按鈕。

石英：右鍵后點擊Import，然后選擇Structure，進入metal-oxides文件夾；在metal-oxides文件夾中找到并打開SiO2_quartz.msi文件

得到石英原胞如圖所示，

具有原胞后可對結構進行超胞化和截面，如圖點擊Build—Symmetry—Supercell：

彈出Supercell設置會話框，根據需要自行設置三個方向大小，這里以3×3×3進行觀察，點擊Create Supercell完成超胞化

接著如圖點擊Build—Surfaces—Cleave Surface進行截面設置，彈出的Cleave Surface會話框里進行面選擇、截面結構起始、厚度等設置，Cleave plane（h k l）按照自己需要或者文獻設置，這里設為（1 0 0）；Top 是從什么位置開始截面；Thickness為截面結構的厚度，這里設置為兩層厚；

截面后的結構只在U、V方向上可以繼續進行超胞化

截面并超胞化的片層可以用于建層結構，如圖點擊Build—Build Layers

在Layer1和Layer2的Source documents框中選擇上面的片層結構

在Layer Details里可以設置層間距和方向

設置完成后點擊Build得到精確的狹縫模型。

幾何優化：首先，打開需要的文件，點擊

Forcite圖標，選擇Calculation功能，彈出如下會話框；

在Task欄選擇Geometry Optimization功能，Quality設置為Ultra-fine，點擊Task后的more彈出Geometry Optimization optimization會話框；

在Geometry Optimization optimization會話框里設置Algorithm算法為Smart，實際模擬時可參考文獻中的信息來選擇；對Convergence tolerance收斂公差進行設置，點擊Quality設置為Ultra-fine，后面的Energy、Force、Displacement幾個參數自動進行調整；設置Max.iterations最大迭代次數為50000，其余信息可以不再設置；關閉會話框。點擊Forcite Calculation的Energy欄，設置Forcefield力場、Charges電荷、Quality、以及Summation method；

Forcefield可以參照文獻中常用的COMPASS力場，也可以使用Universal力場，有文獻使用過作為支撐就沒太大問題；Charges暫時使用Forcefield assigned，為了避免麻煩計算時最方便的就是Use current（默認）；Quality設置為Ultra-fine，對應的是Summation method的精度，Electrostatic和van der Waals參照文獻使用Ewald和Atom based，點開More可以進行查看不同精度時各參數設置的差異，查看完關閉會話框。

點擊Forcite Calculation的Job Control欄進行計算電腦選擇、計算文件命名，以及計算核數選擇；Job description后的Automatic如果勾上就自動使用文件名，勾掉后可以自己命名；點擊More后把Updata Structure勾選上，關閉會話框后，點擊Run進行幾何優化計算得到優化完成的結構。吸附模擬：打開優化完成的骨架與吸附質模型（**.xsd），從工具欄中點擊 Sorption 工具按鈕

（或者依次點擊Modules—Sorption—Calculation），選擇 Calculation打開 Sorption Calculation 對話框。

Task 選擇 Fixed pressure，Method 選擇 Metropolis 方法，Quality先不設置，會根據后面的設置而變化；在Sorbates欄，點擊 Molecular 選擇之前優化過的CH4.xsd；Fugacity（kPa）為逸度，超高溫高壓下需要根據狀態方程計算，這里使用1000kPa試算。

點擊 Task 后面的 More... 按鈕，打開 Sorption Fixed pressure 對話框。設置平衡步數（Equilibration Steps）和生產步數（Production Steps），可以參考文獻中別人使用的步數，這里以1000000和3000000為例。溫度設置為 313.15 K，正式計算時設置為儲層溫度，勾選上返回最低能量構象(Return lowest energy frames)，選擇后會返回一個Study Table文件，且可選擇返回的構象數，這里返回10個構象，同時，可勾選上返回快照(Return snapshots)，根據設計的步數將在Study Table中返回結構軌跡文件，這里的步數設置越小，返回的構型圖越多，越占內存，設置完成關閉對話框。

在 Energy 欄中選擇力場，可根據文獻選擇COMPASS以及Universal等力場，設置 Charges 為 Use current，設置 Quality 為 Ultra-fine，確保 Ewald 為 Electrostatic 的加和方法，而 van der Waals 加和方法設置為 Atom based。Constraints一般未進行設置。

在 Properties 欄中，確保選上了 Energy distribution，Density field 和 Energy field。設置Sample interval 為 50，設置 Grid resolution 為 Medium，Grid interval 自動會變為 0.4 ?。

在 Job Control 任務欄 Gateway location 中選擇適當的路徑，自己的電腦就選擇My Computer。Job description后的Automatic可勾去，同時在框中進行自己命名。點擊More進行更新設置，勾選上Update structure等幾個特性，Update every ** seconds可設置短一些，默認60.0s，設置完畢關閉對話框。點擊 Run 按鈕，模擬正式進行，關閉對話框。

吸附模擬完成，生成以下文件：

?*** -Calculation：模擬設置細節，在***.xsd文件激活時完全為設置的狀態；?***.txt：模擬文件，文件中前面的Fixed pressure calculation parameters、Energy parameters、Metropolis Monte Carlo method parameters、Fixed pressure calculation為設置的參數等信息；Loading為加載的分子，一般使用Average loading，可進行吸附量換算；Isosteric heats為吸附熱；

?*** Etotal.xcd：模擬過程中的總能量變化圖；?*** Loading.xcd：顯示瞬時載荷和平均載荷(每單位元胞內的分子數)；?***.xsd：帶有場分布的骨架圖；?Status.txt：模擬過程中顯示初始設置和初始信息，計算結束后顯示“Sorption calculation complete”?*** Energy.xcd：顯示計算得到的能量分布圖；?*** Low energy.std：顯示一系列最低能量的構型，可選取最后幾張圖來進行后續計算分析；?*** Snapshots.std：顯示計算過程中的快照。當設置了足夠的 MC 步數時，上述每一個曲線圖均會收斂于某一個最終值。注意：Status.txt，*** Energy.xcd，*** Etotal.xcd，*** Loading.xcd 和***.xsd 等臨時文件僅與模擬時間有關。當模擬結束后，他們可被忽略。輸出文 ***.txt，***.std包括了吸附模擬的最終結果。吸附模擬分析：1、吸附熱吸附熱：可以準確表示吸附現象的物理或者化學本質以及吸附劑的活性，吸附能力的強弱。吸附過程產生的熱為吸附熱，吸附熱的大小可以衡量吸附強弱的程度，吸附熱越大，吸附越強。模擬得到的吸附熱單位是kcal/mol，與kJ/mol換算時需要乘上4.186，一般使用Average欄中的值；研究時可對不同壓力條件下得到的吸附熱進行統計分析。

2、能量分布圖可進行不同條件下的能量分布分析，試算的能量分布圖如下圖所示：

kcal/mol與kJ/mol換算時需要乘上4.186，文獻中能量分布圖如下圖所示：

3、吸附量

使用Materials Studio軟件進行吸附模擬時，吸附計算結束得到的是模型中吸附的分子個數，其單位是molecular/u.c，文獻中通常使用以下公式計算氣體的吸附量。

式中，N表示吸附量，mmol/g；Nam表示分子個數；Na表示晶胞個數；Ms為單個晶胞的分子量，可把Na*Ms一起看作整體，即骨架的分子量，而骨架分子式可在Properties里查看；

通過上式可計算單位為mmol/g的吸附量，文獻中的吸附量如下圖所示：

也可將單位換算為mmol/m2：

式中，S表示晶胞的表面積，m2。分子模擬中，組分i在孔內的總氣量為

式中，<Ni>表示孔內組分i粒子數的系綜平均值。部分文獻采用mmol/m2表示吸附量，如下圖所示：

本教程僅以甲烷在石英狹縫中吸附作為示范，更深入地，可研究油氣等混合物在不同縫間距狹縫、不同孔徑的孔中吸附。

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