競爭吸附模擬
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-05
競爭吸附模擬的實例教程
關鍵詞：分子動力學，吸附，競爭吸附，CH4/CO2/H2，頁巖油，LAMMPS,GROMACS
摘要：MS軟件可視化程度高，操作簡便，但是速度慢，效率低。為此，我們使用LAMMPS/GROMACS軟件進行氣體和頁巖油吸附，競爭吸附的研究。我們基于LAMMPS/GROMACS研究不同頁巖孔隙（石英，蒙脫石，伊利石，高嶺石，方解石，石墨烯，真實干酪根）中氣體（CO2，CH4，H2，N2等）和 頁巖油（NC6,NC8,NC12等）的吸附和競爭吸附行為，涉及到不同壁面類型，不同寬度，不同油氣類型，不同摩爾比例，不同溫度壓力的設置，可以分析模擬快照，密度分布，擴散系數，相互作用能等。
整個分子動力學過程通過Lammps實現，其中部分壁面需要在MS中進行調整。全部流程如下：
1，建立壁面模型(干酪根，石墨烯，二氧化硅，蒙脫石，高嶺石，伊利石，方解石等)；建立原油組分分子結構；建立注入氣(CO2, CH4, N2)的分子結構；
2，賦予干酪根CVFF力場，粘土礦物ClayFF力場，CO2, N2分別用fix rigid設為剛體，CH4用聯合原子/OPLS力場，原油組分用OPLS-AA力場。
3，利用in文件將壁面，油，CO2氣體等組合成data文件。
4，進行能量最小化，設置平板移動速度進行分子動力學模擬。
可以提供代碼和一對一教學，可以進行答疑，可以針對特定需求來建模和代碼。
展開 使用自定義的化學反應方程來描述吸附的另一個原因是競爭性吸附的情況，在這種情況下，兩種或多種被吸附物質會共享相同的吸附點。這種現象是催化劑中毒的常見原因：由于另一種分子具有較強吸附力，催化劑無法吸附預期的物質，這可能導致反應所需的催化劑永久失活。
涉及吸附的模型示例
在 COMSOL Multiphysics “案例庫”中，您可以找到一系列演示不同類型吸附建模的教學模型。
液相色譜法
高效液相色譜（HPLC）系統使用一維模型建模，其中模擬的尺寸代表色譜柱中流動相的流動長度。這里，由兩種不同組分的 Langmuir 平衡常數表示的不同吸附平衡導致不同程度的停留時間。由于溶劑的穩定流動與不同的吸附速率的共同作用，導致不同的吸附組分在空間和時間上分離。
這里，結合使用多孔介質稀物質傳遞接口與吸附子節點來表示平衡吸附過程。
高效液相色譜實驗中檢測到的濃度隨時間的變化。組分 1 具有較高的吸附能力，因此存留時間更長。
蛋白質吸附
在離子交換柱中，蛋白質吸附在柱表面，并置換離子，如前一篇關于蛋白質吸附過程的博客文章所述。化學接口可用于描述多種相互作用蛋白質的更復雜的反應機制，該接口可與稀物質傳遞接口（用于在溶液中遷移的物質）和表面反應接口 （用于被吸附物質）相耦合。
離子交換柱中的蛋白質吸附。
傳遞和吸附
在本例中，我們使用稀物質傳遞接口描述溶液中物質的擴散和對流。同時，化學物質也會吸附在特定邊界上的活性中心上。在該邊界上，我們使用一般形式邊界偏微分方程來表達用戶定義的表面覆蓋方程。如上所述，該動力學方程基于吸附和解吸速率的 Langmuir 近似，但不假設反應達到平衡。因此，Langmuir 等溫吸附本身不一定成立。而吸附和解吸通量則需要動態考慮。
下圖顯示了溶解的吸附物在活性表面的流動如何使吸附的表面濃度隨著時間的推移而逐漸增加。
展開 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。
展開 一個小型封閉空間中放入固定大小的樣煤，充瓦斯使樣煤達瓦斯吸附平衡狀態。 初始 恒溫恒壓，到卸壓，完成樣煤瓦斯的解吸，收集測量。 怎樣來進行瓦斯吸附解吸過程的模擬？ 望看到帖子的指點一二。提前謝謝了
現在已經準備好了運行模擬了。
在Forcite Calculation對話框上點擊Run按鈕。
一個叫做W(-1 0 0) Forcite GeomOpt的目錄，在Project Explorer中被打開，計算不到1分鐘就完成了，達到了約定的收斂標準。當完成時，W(-1 0 0).xsd接近新目錄的頂部，包括優化的結構，如圖8―5所示。
圖8―5 優化后的結構
在W(-1 0 0) Forcite GeomOpt目錄中還有另外4個文件，W(-1 0 0).txt文件包括有關job的所有信息，特別是關于初始和最終結構的結構參數和能量參數值；Status.txt文件包含job的最后執行狀態，W(-1 0 0) Energy圖表顯示了在優化過程中總能量的變化；W(-1 0 0) Convergence圖表顯示收斂標準的變化，即Energy Change 和Gradient Norm對優化步驟的函數，當所需要的標準達到時模擬就停止了。
現在你準備了一個結構，它將適合于進一步的模擬，例如使用DMol3或者CASTEP模塊進行解離反應模擬。
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在之前的文章中，我們了解了為什么表面是具有特殊化學意義的位置，并討論了用于描述表面反應的理論，包括描述多孔介質均質模型中的表面。本文我們將討論化學物質通過吸附作用附著到表面時的特性。吸附在許多催化和傳感過程中起著至關重要的作用，因此我們要考慮如何將吸附包含到化學模型中。
什么是吸附？
有時候，化學物質會吸附在表面上，這種現象可能發生在氣相中的固體表面以及浸沒在液體溶液中的固體表面?；瘜W物質在表面上聚集的能力在傳感和分離過程中都非常有用
本案例建立一二維軸對稱腔道結構，如圖1所示。結構內存在阻擋壁面結構、吸附面結構、包含一入口。吸附壁面溫度為4.5K，吸附系數為0.7，其他壁面結構的壁面溫度為80K。在入口受到3mPa的抽吸壓力下，計算得到腔體內的數密度分布云圖，如圖2所示。腔體內顆粒粒子追蹤He氣體分子的運動，如圖3所示。由圖可知，最終在吸附壁面上吸附了一定數量的氣體分子顆粒。
圖1 幾何模型
圖2 數密度分布
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
在本教程中將檢驗CO分子在Pd(110)晶面的吸附，Pd表面在多種催化反應中發揮了至關重要的作用。理解分子如何與這樣的表面相互作用是理解催化反應的第一步。在本例中，密度泛函理論(DFT)模擬能促進這一理解，可以解決以下問題：分子吸附在何處？多少分子會吸附在表面上？什么是吸附能？吸附結構如何？吸附機制是什么？
我們將關注一個吸附位－短橋位，因為它是已知的能量優先位置。覆蓋率也是固定的(1ML
目的：介紹Forcite在生成分子在表面的優化結構中的使用。
模塊：Forcite
背景：
在Materials Studio中Forcite是一個經典分子力學工具，由Accelrys科學家和軟件工程師設計，可以執行一系列任務，包括對單分子或周期性系統的快速能量計算和幾何優化。它提供了使用不同力場的方法，很適合初學者使用，它也為有經驗的用戶提供了廣泛的自定義選項。
介紹：
詳細了解表面相互作用和反應
Forcite Plus 是一款分子力學和分子動力學模擬程序。它可以對分子、表面或三維周期性材料體系進行快速的能量計算、幾何優化以及各種熱力學條件下的動力學模擬研究，可以分析材料體系的各種結構參數、熱力學性質、力學性質、動力學性質以及統計學性質。主要應用于有機、無機小分子、有機金屬絡合物、 高分子聚合物、納米及多孔材料、部分金屬、金屬氧化物晶體及晶體表界面結構的研究。
Forcite Plus
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