競爭吸附模擬的案例
基于LAMMPS實現(xiàn)頁巖納米孔多組分氣體和頁巖油的競爭吸附
關(guān)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(shè)置，可以分析模擬快照，密度分布，擴散系數(shù)，相互作用能等。
整個分子動力學過程通過Lammps實現(xiàn)，其中部分壁面需要在MS中進行調(diào)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(jié)構(gòu)；建立注入氣(CO2, CH4, N2)的分子結(jié)構(gòu)；
2，賦予干酪根CVFF力場，粘土礦物ClayFF力場，CO2, N2分別用fix rigid設(shè)為剛體，CH4用聯(lián)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(shè)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 在 COMSOL 中模擬表面吸附
使用自定義的化學反應(yīng)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(zhì)會共享相同的吸附點。這種現(xiàn)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(zhì)，這可能導致反應(yīng)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(tǒng)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(shù)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(wěn)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(jié)合使用多孔介質(zhì)稀物質(zhì)傳遞接口與吸附子節(jié)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(zhì)吸附
在離子交換柱中，蛋白質(zhì)吸附在柱表面，并置換離子，如前一篇關(guān)于蛋白質(zhì)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(zhì)的更復雜的反應(yīng)機制，該接口可與稀物質(zhì)傳遞接口（用于在溶液中遷移的物質(zhì)）和表面反應(yīng)接口 （用于被吸附物質(zhì)）相耦合。
離子交換柱中的蛋白質(zhì)吸附。
傳遞和吸附
在本例中，我們使用稀物質(zhì)傳遞接口描述溶液中物質(zhì)的擴散和對流。同時，化學物質(zhì)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(shè)反應(yīng)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(tài)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 fluent模擬樣煤塊瓦斯吸附解吸
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(tài)。 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
利用MS模擬天然氣（甲烷）在多孔介質(zhì)中的吸附
點擊 Run 按鈕，模擬正式進行，關(guān)閉對話框。
吸附模擬完成，生成以下文件：
?*** -Calculation：模擬設(shè)置細節(jié)，在***.xsd文件激活時完全為設(shè)置的狀態(tài)；?***.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(shè)置的參數(shù)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(nèi)的分子數(shù))；?***.xsd：帶有場分布的骨架圖；?Status.txt：模擬過程中顯示初始設(shè)置和初始信息，計算結(jié)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(gòu)型，可選取最后幾張圖來進行后續(xù)計算分析；?*** Snapshots.std：顯示計算過程中的快照。當設(shè)置了足夠的 MC 步數(shù)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(guān)。當模擬結(jié)束后，他們可被忽略。輸出文 ***.txt，***.std包括了吸附模擬的最終結(jié)果。吸附模擬分析：1、吸附熱吸附熱：可以準確表示吸附現(xiàn)象的物理或者化學本質(zhì)以及吸附劑的活性，吸附能力的強弱。
展開 
基于MS的forcite模塊模擬水分子在云母表面吸附行為
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(yōu)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(jié)構(gòu)參數(shù)、熱力學性質(zhì)、力學性質(zhì)、動力學性質(zhì)以及統(tǒng)計學性質(zhì)。主要應(yīng)用于有機、無機小分子、有機金屬絡(luò)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(jié)構(gòu)的研究。
Forcite Plus的主要功能
能量計算 吸附熱，表面能等結(jié)構(gòu)優(yōu)化 優(yōu)化原子坐標和晶胞參數(shù)，支持原子笛卡爾坐標和晶胞參數(shù)的限定，可以添加外應(yīng)力（等靜壓）模擬淬火 將動力學模擬和結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，輔助掃描勢能面，尋找最優(yōu)的分子構(gòu)象、吸附構(gòu)象等 。
模擬退火 基于不同溫度點的動力學模擬，實現(xiàn)體系的反復升、降溫過程，輔助掃描勢能面，尋找最優(yōu)的分子構(gòu)象、吸附構(gòu)象等
水分子與云母（mica_2d）建模優(yōu)化過程
首先在晶體庫中導入云母分子并且利用Amorphous Cell模塊建立密度為1g/cm3的水分子晶格常數(shù)和云母分子設(shè)為一致，以便之后進行接合建模。
展開 基于MS的Forcite模塊模擬氫在鎢表面的物理吸附
現(xiàn)在已經(jīng)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(yōu)化的結(jié)構(gòu)，如圖8―5所示。
圖8―5 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)
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(guān)job的所有信息，特別是關(guān)于初始和最終結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和能量參數(shù)值；Status.txt文件包含job的最后執(zhí)行狀態(tài)，W(-1 0 0) Energy圖表顯示了在優(yōu)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(yōu)化步驟的函數(shù)，當所需要的標準達到時模擬就停止了。
現(xiàn)在你準備了一個結(jié)構(gòu)，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(yīng)模擬。
展開 利用MS的CASTEP模塊模擬Pd(110)表面CO分子的吸附
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(yīng)中發(fā)揮了至關(guān)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(yīng)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(jié)構(gòu)如何？吸附機制是什么？
我們將關(guān)注一個吸附位－短橋位，因為它是已知的能量優(yōu)先位置。覆蓋率也是固定的(1ML)。在1ML的覆蓋率下，CO 分子會彼此排斥，這會防止CO分子準確地垂直于表面。通過考慮(1x1)和(2x1)表面原胞，可以計算能量分布，進而得到化學吸附能。
圖1 Pd晶胞和Pd(110)晶面頂視圖
(110)劈開用藍色高亮顯示。a0是體晶格常數(shù)，也被稱為晶格參數(shù)。
介紹：
在本教程中，將使用CASTEP優(yōu)化并計算幾個不同系統(tǒng)的總能量。一旦確定了這些能量，將能夠計算CO在Pd(110)晶面上的化學吸附能。
1. 準備項目
本教程包括五個不同的計算。為了使項目容易管理，應(yīng)該一開始就在項目中建立五個子文目錄。
在Project Explorer中根目錄圖標上右擊，選擇New | Folder。重復該操作四次。在New Folder上右擊，選擇Rename，輸入Pd bulk。對其他文件夾重復這一操作，并將它們分別命名為Pd(110)、CO molecule、(1x1) CO on Pd(110)和(2x1) CO on Pd(110)。
2. 優(yōu)化Pd晶格
Pd的晶體結(jié)構(gòu)包含在Materials Studio提供的結(jié)構(gòu)庫中。
在Project Explorer中，右擊Pd bulk目錄，并選擇Import...，定位到Struc-
tures/metals/pure-metals，輸入Pd.msi。
展開 基于COMSOL軟件的分子流模塊模擬一腔道內(nèi)低溫吸附結(jié)構(gòu)對單一組分稀薄氣體分子的的抽吸作用 ￥1000
結(jié)構(gòu)內(nèi)存在阻擋壁面結(jié)構(gòu)、吸附面結(jié)構(gòu)、包含一入口。吸附壁面溫度為4.5K，吸附系數(shù)為0.7，其他壁面結(jié)構(gòu)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(nèi)的數(shù)密度分布云圖，如圖2所示。腔體內(nèi)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(shù)量的氣體分子顆粒。
圖1 幾何模型
圖2 數(shù)密度分布
圖3 He氣體分子顆粒的運動分布
感興趣的朋友可下載模型源文件，歡迎合作交流
