氣體吸附
關注創建者：佳兒 創建時間：2016-12-07
氣體吸附的實例教程
可以在論文中分析的圖和數據有：
1 初始模型
2 平衡模型（不同摩爾比）
3 密度分布
4 氣體吸附量
5 相互作用力（靜電力與范德華力）
6 不同含水量的吸附圖像
7 不同含水的密度分布
8 不同含水下的氣體吸附量
9 氣體損失率
10 擴散能力
11 封存效率
12 力場驗證
13 吸附氣/自由氣判定
14 模型隨機性
最后，有相關模擬需求歡迎通過公眾號“320科技工作室”與我們聯絡。
【引言】
多孔配位聚合物(PCP)或金屬有機框架(MOF)因其在氣體儲存/分離、分子傳感、藥物輸送等方面具有巨大潛力而備受關注。其中一些為柔性框架，受到外部刺激(如氣體吸附、光照和溫度變化)可觸發動態結構變化。特別地，開孔吸附具有相當大的意義，因為由氣體分子吸附引起的結構轉變增強了隨后的氣體吸附。 這種行為可將含有幾種具有類似物理化學性質的氣體分子如CO/N2的混合物分離。為了在分子水平上進一步理解PCP的開孔吸附，研究人員已經進行了基于熱力學和統計力學的理論研究，然而對開孔吸附機理的了解仍然有限。
【成果簡介】
近日，日本京都大學Shigeyoshi Sakaki教授、Susumu Kitagawa 教授(共同通訊作者)等通過理論計算闡明開孔吸附機理在某些PCP中的工作原理，并在J. Am. Chem. Soc.上發表了題為“Theoretical Insight into Gate-Opening Adsorption Mechanism and Sigmoidal Adsorption Isotherm into Porous Coordination Polymer”的研究論文。作者選擇 [Fe(ppt)2]n(PCP-N, Hppt = 3-(2-吡嗪基)-5-(4-吡啶基)-1,2,4-三唑)及其類似物[Fe(dpt)2]n(PCP-C, Hdpt = 3-(2-吡啶基)-5-(4-吡啶基)-1,2,4-三唑)對CO2的吸附作為實例。
展開 在這篇文章中，作者系統地總結了近年來多孔高分子在氣體吸附、水處理、分離、異相催化、電化學儲能、多孔炭材料前驅體以及其他領域（包括傳感、生物醫藥、光電器件等）的應用進展，重點從孔結構調控、直接功能化合成以及后合成改性等方面評述了以解決重大需求為導向的多孔高分子的設計策略，并著重強調了多孔高分子在各個應用領域的結構—性能關系。
【圖文導讀】
Scheme 1.多孔高分子的結構設計策略及其應用
1.氣體吸附
氣體吸附與人類的很多社會活動息息相關，例如清潔能源氣體的儲存、溫室氣體的管理、以及有毒氣體的控制等。多孔高分子具有孔隙率高、孔結構及化學組成多樣、質量輕和穩定性高等優點，可作為優良的氣體吸附材料。
Figure 1. 用于氣體吸附的多孔高分子
(a) PPN-3 (X: adamantane)、PPN-4 (X: Si)、PPN-5 (X: Ge)和PAF-1 (X: C)的合成
(b) PPNs的氣體吸附
(c-e) 層狀多孔高分子的合成示意圖、構筑單元和層狀結構模型
Figure 2. 用于氣體吸附的多孔高分子
(a)布朗斯特酸基團修飾的多孔高分子的氨氣吸附示意圖
(b, c) 低壓氨氣吸附劑的設計策略
(d) CD-COFs的合成示意圖
(e) CD-COFs吸附CO2的示意圖
2. 水處理
水是維持生命活動和生存環境的必需因素。
展開 圖2.COF-300的客體依賴的可脹可縮動態行為（a）及其框架幾何變化（b）
然而在進一步開展性能研究時，該樣品一開始在77K并不能被觀測到有氮氣吸附行為，這令研究團隊感到困惑。之后，得益于物質學院分析測試中心的便利條件，當研究人員對材料進行了水和多種有機蒸汽吸附以及不同臨界溫度的氣體吸附，才發現其具有動態結構變化和多步吸附行為。利用上海光源同步輻射X-射線衍射和Rietveld精修方法，課題組成功利用解析了三種不同狀態的COF-300的框架結構，發現有機溶劑分子和水分子能分別誘導COF-300發生晶體膨脹和收縮，闡釋了該類框架材料的結構可適應性和客體依賴性。這種溶劑誘導的可伸可縮框架行為類似于生物酶在催化過程中對底物和溶劑的動態響應機制，為仿生智能材料的設計和開發提供了新思路。此外，課題組還首次采用了氣體吸附原位粉末X射線衍射聯用技術證實了在氣體吸附過程中，框架結構也發生了動態的晶體結構轉變，為其在氣體存儲與吸附分離應用方面提供了新的平臺。
該研究項目得到了國家自然科學基金優秀青年科學基金和博士后創新人才支持計劃的資助。該研究測試得到了上科大-高研院低碳能源科學聯合實驗室、上海光源BL-14B1線站、上科大電鏡中心OsamuTerasaki教授、物質學院分析測試中心余娜博士和隆柳柳老師、蘭州大學王為教授和丁三元老師等專家學者和技術人員的大力支持。此項科研成果也體現了學院一如既往地踐行教學與科研并重的“科教融合”育人理念，充分發揮高水平師資隊伍的力量，開放共享實驗室和科研平臺等硬件設施，切實有效地引導學生進行自主學習和獨立科研，并取得可喜成果、實現預期目標。
文章鏈接：
https://pubs.acs.org.ccindex.cn/doi/10.1021/jacs.8b13691
來源：上科大物質學院
展開 多孔材料在氣體存儲和分離方面已經取得了突飛猛進的發展，然而如何控制氣體在多孔材料中的擴散一直是難以解決的問題。1月25日，一項發表于《科學》雜志的研究利用金屬—有機框架（MOF）材料這一設計性極高的結構平臺，在剛性骨架的MOF的籠狀孔壁上編入溫度響應的動態“開關”，通過控制孔壁微擾來控制氣體分子在多孔材料中的擴散。
論文第一作者、華南理工大學發光材料與器件國家重點實驗室研究員顧成告訴《中國科學報》記者：“新材料具有溫度控制的吸附特性，這種獨特的吸附性質不僅能讓材料在較高溫度下進行相似氣體的動態篩分，也可以實現常溫常壓下氣體的物理存儲。”
圖片說明：(A)通過動態孔道控制氣體擴散的原理示意圖。(B) 1a的晶體結構。 (C) 1a的孔道結構。(D) 溫度響應的層內擴散控制示意圖；低溫下OPTz單元形成的“門”關閉，氣體分子無法擴散，高溫下通過熱振動打開“門”，氣體分子進行層內擴散。
根據熱力學定律，隨著溫度升高，多孔材料對氣體的吸附量會降低。但是MOF材料表觀上違反熱力學吸附法則，它在各種氣體的沸點溫度附近幾乎沒有任何吸附，但隨著溫度升高氣體吸附量逐漸升高并達到最大值，之后隨溫度升高氣體吸附量又逐漸降低。研究人員發現，這是熱力學控制的骨架—氣體相互作用力和動力學控制的擴散限制相互作用的結果。
為何MOF材料會出現這樣的結果？顧成表示，研究人員設計了一種蝴蝶型的配體，在間苯二甲酸的5-位上引入氧化吩噻嗪，這是一種可以有效發生熱振動的單元。“這像蝴蝶扇動翅膀一樣，溫度越高，振動幅度越強。”顧成說。
氧化吩噻嗪的熱振動引起了微擾，而這一微擾已足夠為氣體分子擴散打開“大門”。由于MOF材料引入了動力學控制，在不同的溫度下，“大門”打開的幅度也不相同。
該材料特殊的吸附特性使之有可能在較高溫度下進行相似氣體的高效篩分。
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</p><p>在comsol中將從數學模型理解與推導開始介紹這個模型的復現過程，采用<strong>二維離散裂縫模型</strong>，主要用到的理論包括：<strong>達西定律、Biot理論、滑脫效應(knudsen流)、郎格繆爾等溫吸附，</strong>該模型綜合考慮了<strong>裂縫滲透率演化、基質孔隙度與滲透率演化、氣體吸附解吸、天然氣粘度變化</strong>等因素對氣體采出的影響
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。
化學氣相沉積過程分為三個重要階段：反應氣體向基體表面擴散、反應氣體吸附于基體表面、在基體表面上發生化學反應形成固態沉積物及產生的氣相副產物脫離基體表面。最常見的化學氣相沉積反應有:熱分解反應、化學合成反應和化學傳輸反應等。
所以在鋰電池設計中，有時要測定孔隙率，常用壓汞法、氣體吸附法等進行測定。也可通過密度計算求得。當采用不同的密度進行計算時，孔隙率含義也不同。
當活物質、導電劑、粘結劑的密度都采用真密度計算孔隙率時，所計算的孔隙率包括顆粒之間的空隙、顆粒內部空隙。當活物質、導電劑、粘結劑的密度都采用顆粒密度計算孔隙率時，所計算的孔隙率包括顆粒之間的空隙、而不包括顆粒內部空隙。
巨大的表面積使它對周圍的環境非常敏感，即使是一個氣體分子吸附或釋放都可以檢測到。這檢測目前可以分為直接檢測和間接檢測。通過穿透式電子顯微鏡可以直接觀測到單原子的吸附和釋放過程。通過測量霍爾效應的方法可以間接檢測單原子的吸附和釋放過程。當一個氣體分子被吸附于石墨烯表面時，吸附位置會發生電阻的局域變化。
但有研究認為純的石墨烯具有化學惰性，不利于其吸附氣體，因此人們嘗試通過原子摻雜或基團修飾來提高石墨烯的儲氫性能。研究人員最先利用第一性原理對原子結構進行優化計算，Hussain等使用Li對石墨烯進行摻雜改性，結果顯示改性后石墨烯的儲氫量可以提高到3.23%。Ataca等將鈣原子摻雜到石墨烯中，使用平面波方法計算得到8.4%的儲氫量。
活性炭過濾風速在《吸附法工業有機廢氣治理工程技術規范》(HJ2026—2013)中，可以查到固定床吸附，采用顆粒狀吸附劑氣體流速宜低于0.6m/s，采用纖維狀吸附劑氣體流速宜低于0.15m/s，采用蜂窩狀吸附劑氣體流速宜低于1.2m/s;過濾面積即可根據處理風量和過濾風速計算得出。 碳層厚度的設計，就需要結合廢氣的產生濃度、去除效率、活性炭的更換時長等因素進行。
其中，半導體式可燃氣體傳感器檢測下限較低、使用壽命較長，而且檢測過程中僅存在氣體的吸附和脫附過程，廚房內嚴重的油煙極少存留于敏感材料表面，不會對實際使用壽命產生影響，是家用報警器的好選擇。
氣旋混動噴淋塔工作原理:
當生產作業時，煙塵廢氣在風機牽引力的作用下進入高速混流導軌裝置，煙塵廢氣在離心力的作用下進行氣液乳化反應，在混流液的高速旋轉狀態下，污染物與旋轉液體充分混合吸收相溶增加煙塵比重，利用旋流裝置設計好的離心力達到氣液分離，分離后的氣體進入環保填料吸附層，螺旋噴頭噴出的對應溶劑均勻分布在填料上,由于填料的合理設計,污染物浸透在填料的時間較長，與反應液在專用環保填料表面有充分的氣液相溶反應時間
當生產作業時，煙塵廢氣在風機牽引力的作用下進入高速混流導軌裝置，煙塵廢氣在離心力的作用下進液乳化反應，在混流液的高速旋轉狀態下，煙塵廢氣與旋轉液體充分混合吸收相溶增加煙塵比重，利用旋流裝置設計好的離心力達到氣液分離，分離后的氣體進入環保填料吸附層，螺旋噴頭噴出的對應溶劑均勻分布在填料上,由于填料的合理設計,煙塵廢氣浸透在填料的時間較長，廢氣與反應液在環保填料表面有充分的氣液相溶反應時間，從而達到達標排放的目的
