氣體吸附的案例
基于LAMMPS實現頁巖納米孔多組分氣體和頁巖油的競爭吸附
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。
:多孔配位聚合物中開孔吸附機理和S型吸附等溫線的理論探討
【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 中山大學Adv. Mater.綜述: 多孔高分子–以解決重大需求為導向的多功能材料平臺
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 上科大本科生發《JACS》，研發出可脹可縮的晶態有機多孔材料
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 
發現控制氣體在多孔材料擴散的“局域柔性”材料
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。
展開 什么是變壓吸附？變壓吸附有什么具體應用？
在實際應用中，以氣體分子擴散速率作為研究指標，因分子直徑大小不同，吸附效果不同，以此達到區分氣體的目的。以N2和O2兩種氣體分離為例，利用吸附劑選擇性吸附氣體，在壓縮空氣過程中，N2和O2分別位居不同集，采用此方法大量提取N2。下圖為吸附劑動力學曲線。
上圖中，描繪了吸附劑在吸附N2和O2時，隨著時間的推移對應的吸附量大小。通過觀察上圖中的變化曲線可以很明顯的看出，隨著時間的推移，O2吸附量很快就達到了飽和，30min后不再吸附，雖然N2吸附速度較慢，但是隨著時間的推移，始終在吸附，并且吸附速度較慢。依據此原理，可以通過調節吸附劑吸附時間來分離N2和O2。
02
技術優勢
①成本低。該分離技術操作簡單，不需要提供大量設備，通過更換吸附劑即可保證裝置得以正常運行，滿足氣體分離要求。因此，利用此項技術分離氣體，運行成本低，在資金方面具有一定優勢。
②能耗低。該項技術運用獨特的氣體分子篩裝填技術，依據氣體分離需求，開啟回收、提取氣體裝置，完成氣體分離操作。整個作業過程中各個環節消耗能量較少，總能耗偏低。
③智能化。此項分離技術采用人機界面處理方式，用戶在計算機操作界面，依據氣體分離需求下達操作命令，即可實現氣體分離，減少了人工搬運等環節，大量節省了人力資源，實現智能化氣體分離。
④個性化。該技術的應用不是固定不變的，而是根據用戶需求，設置提取氣體種類、氣體濃度等參數，根據參數設置結果，為用戶提供個性化服務。開啟此裝置后，按照提取需求，從中分離類型、濃度等滿足要求的氣體。
展開 加州大學&加州州立大學Angew ：有機金屬框架中，同桿螺旋填料提高金屬位點的最高的密度方法
圖2 CPM-47和CPM-49的氣體吸附圖
CPM-47和CPM-49的氣體吸附圖。
【小結】
本文找到了一種材料設計理論，來確定核心化學和結構標準。作者早前關注多成分系統的合成，本文關注一元金屬和一元配體，著重研究金屬-配位物的電荷比和官能團的比例。文中制備了棒包Li的有機框架結構，采用苯酚和羧酸酯官能團的連接劑。這種結構模仿MOF-74，揭示獲得高密度客體金屬位點的結構材料的可能性。文中體現了設計原則的另一個極限，這與作者開發的孔隙空間分區的方法形成鮮明對比，該方法具有由客體結合金屬位點，全部轉換由從框架重新定位到孔中心的能力。這種控制客體結合位點的理論密度和位置的方法，使得開發一種材料成為可能，以實現針對各種應用的可調特性。
文獻鏈接：Homo-Helical Rod Packing as a Path Toward the Highest Density of Guest-Binding Metal Sites in Metal-Organic Frameworks（Angew, 2018, DOI: 10.1002/anie.201802267）。
展開 基于COMSOL軟件的分子流模塊模擬一腔道內低溫吸附結構對單一組分稀薄氣體分子的的抽吸作用 ￥1000
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
圖3 He氣體分子顆粒的運動分布
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氣體分離Science子刊：多孔有機骨架薄膜用于燃燒前捕集二氧化碳
Commun. 51, 13393–13396 (2015)）
BILP-101這一吸附劑最早于2015年由美國國家能源技術實驗室的研究人員（Chem. Commun. 51, 13393–13396 (2015)）開發而來。這一吸附劑主要具有相對較小的孔徑、較高的微孔率以及優異的物理化學穩定性能的特點。在早先的研究中，已經證明其二氧化碳吸收效率可達到1 mmol g?1（4 wt%, 0.15 bar/298 K），CO2/N2的選擇吸附性能也比較良好。
圖2 BILP-101x薄膜的界面聚合過程以及形貌表征
以此為基礎，Gason課題組的研究人員在α-Al2O3多孔基質直接制備了BILP-101x薄膜。如圖2所示，α-Al2O3具有優異的熱穩定性，頂部的γ-Al2O3則擁有親水小孔可供界面聚合過程。這一多孔基質先后浸沒在BTA水溶液和TFB的苯溶液中，BTA單體的氨基與TFB的苯溶液接觸，在苯/水界面與醛迅速反應形成薄層。薄層進而生長成膜，并阻擋單體之間的接觸驅使反應在仍存在的缺陷中進行，最終在基質表面上形成連續無缺陷薄膜層。圖2的SEM等表征顯示這一薄膜的厚度在400nm左右。
圖3 BILP-101x薄膜的譜學表征及其氣體吸附檢測
圖3的傅里葉變換紅外光譜和核磁譜揭示了薄膜中苯并咪唑環的形成以及部分醛基團殘留，證明了TFB和BTA構建模塊成功發生了縮聚反應。氮氣吸附曲線表明了薄膜由一小部分微孔（17 m2g?1）以及比表面積為70 m2 g?1的外表面組成。而二氧化碳的吸附曲線卻表明，薄膜對二氧化碳的吸附量約為22 m3 g?1（1bar，298K），遠低于BILP-101吸附劑。
展開 西工大鄭亞萍教授團隊《AFM》綜述：多孔液體-從基礎到合成、應用以及展望
（a）從多孔客體的設計、調控角度出發，討論了如何提高多孔液體中多孔客體的含量，如何實現將多孔固體材料的可控調控轉移至多孔液體的精確調控，討論了如何將無溶劑納米流體的制備思路應用到新型多孔液體的合成方面；（b）從位阻溶劑的設計角度出發，如何調控多孔液體的粘度，給出了與實際生產中流動介質的需求相適應的多孔液體設計方向；（c）從測試表征角度出發，給出了多孔液體測試表征的建議；（d）分析了多孔液體設計需要重點考慮的粘度、分散穩定性、熔融溫度等重要物理參數的設計要求及建議；（e）給出了多孔液體在純理論模擬方面的建議，如利用粗粒化模型對多孔液體進行模型構建，分析多孔客體與位阻溶劑的相互作用，從已有的界面作用模擬研究擴展到更加接近實際的組分之間作用力分析；（f）給出了在合成方面通過優化合成工藝實現經濟、高效的合成；（g）給出了多孔液體微觀機理探究建議，如對于氣體捕集與分離應用來說，如何通過優化傳熱、傳質增強氣體的吸附量及選擇性分離，給出了多孔液體的表征應從以往的簡單的氣體吸附量的測試向氣體穿透測試等方面擴展的建議；（h）考慮循環穩定性與再生性的問題，如針對氣體捕集應用，給出了如何通過變溫、變壓等物理作用進行多孔液體的有效再生；（i）給出了進一步擴展多孔液體應用的建議，將多孔液體的應用從氣體捕集與分離向光熱轉換，新型電解質等其它潛在應用領域擴展。
Figure 4. Overview covered in this review.
展開 東華大學廖耀祖教授課題組JMCA：在氣相沉積制備共軛微孔聚合物單原子催化劑上取得新進展
共軛微孔聚合物（Conjugated microporous polymer, CMP）具有擴展的π共軛結構和固有納米孔隙率，在氣體吸附和分離、能量存儲、多相催化和傳感等方面顯示廣闊的應用前景。但是其作為光催化劑，通常需要昂貴的金屬催化反應才能制備，同時還存在電荷分離效率、催化穩定性待提高等問題。此外，單原子催化劑（Single atom catalyst, SAC）由于最大的原子利用效率和優異的催化反應活性受到了研究者的廣泛關注。CMP具有的豐富納米孔道、高表面積、可調節的能隙和易修飾等優點，為制備金屬負載型SAC提供了獨特的平臺。通過制備CMP單原子催化劑，有望發揮“以一當十”的功效，從而極大地提升光催化產氫效率。
基于以上研究背景，東華大學廖耀祖教授課題組與英國劍橋大學Giorgio Divitini研究員、卡迪夫大學Bo Hou研究員課題組合作，采用齊齊巴賓吡啶反應（Chichibabin pyridine reaction），通過醛酮縮聚設計合成了吡啶基共軛微孔聚合物（Pyridyl conjugated microporous polymer, PCMP）。提出了低溫（150 ℃）氣相沉積策略，在PCMP載體上錨定過渡金屬如鎳（Ni）、鈷（Co）等制備了新型光催化劑。過渡金屬以單原子形式與共軛微孔聚合物中的吡啶氮結合，可對PCMP的能帶結構進行有效調節；同時，金屬單原子使聚合物電荷密度形成離域效應，促進質子吸附。在可見光照射下，PCMP錨定過渡金屬單原子后顯示優異的光催化產氫性能。特別是以Co錨定的PCMP光催化劑，在可見光照射下，其產氫性能相較于純PCMP提升了2倍多，并且具有良好的產氫循環穩定性。
展開 
二級活性炭吸附箱工作原理
二級活性炭吸附設備工作原理及適用范圍：
活性炭是經過活化處理后的碳，其具備比表面積大，孔隙多的特點，使其具有較強吸附能力。顆粒碳比表面積一般可達700—1200m2/g，其孔徑大小范圍在1.5nm一5um之間。其吸附方式主要通過2種途徑：一是活性炭與氣體分子間的范德華力，當氣體分子經過活性炭表面，范德華力起主導作用時，氣體分子先被吸附至活性炭外表面，小于活性炭孔徑的分子經內部擴散轉移至內表面，從而達到吸附的效果，此為物理吸附;二是吸附質與吸附劑表面原子間的化學鍵合成，此為化學吸附。
活性炭吸附箱一般適用于大風量、低濃度、低濕度、低含塵的有機廢氣。 影響活性炭吸附效果的因素 活性炭的吸附能力主要是受其本身的比表面積、孔隙大小、分子間力、化學鍵合成等因素影響;而在實際應用中，對活性炭裝置的設計，關鍵是活性炭的過濾面積、過濾風速、活性炭的層厚。 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。一般會采用2種方式計算碳層厚度：一是，根據活性炭需要的更換周期，來確定活性炭的總的裝填量，之后再根據過濾面積計算碳層厚度。
展開 無機材料高純氧化鎂的用途
高純氧化鎂的比表面積較大，是制備高功能精細無機材料、油墨、有害氣體吸附劑的重要原料。
大慶石化煉油廠│變壓吸附（PSA）制氮設備在煉油生產中的應用
（2）變壓吸附制氮設備運行中氮氣的純度與工作壓力、吸附時間（切換頻率）、氮氣產量（回收率）、吸附溫度及原料氣體的露點、含塵直徑有直接關系，在運行中還要進一步總結經驗，選擇最佳運行參數。
（3）需要相關技術部門進一步確認各生產裝置對氮氣純度指標的要求，針對各裝置的需要將PSA生產的氮氣分配到不同的氮氣管網中。
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本日文末福利：《氣體吸附制取操作指南》
文末資料領取關鍵詞：氣體吸附
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展開 《AFM》：CO2/N2選擇性和超電容性能，都達到創紀錄水平！
例如，通過固體吸附劑或膜分離有效氣體混合物的吸附能力和選擇性需要獨特的多孔結構和選擇性的表面極性功能，以便在存在其他氣體的情況下吸附某些氣體。而多功能多孔碳材料是清潔、安全和可持續的工作環境和儲能裝置的關鍵，因為它們可以重復使用、回收和再利用。
來自韓國高級科學技術學院的學者設計了一種具有4-(二氰亞甲基)-2，6-二甲基-4H-吡喃(DDP)表面官能團的新型電子共軛納米三嗪骨架(CTFs)，用于在常溫下氮氣(N2)上選擇性吸附二氧化碳(CO2)；通過改變材料的用途來制備尺寸穩定的高能量密度固態柔性超級電容器(SFSC)的活性電極材料。DDP的功能性4H-吡喃單元與三嗪骨架共振，豐富了整體表面極性，從而改善了選擇性氣體吸附，并在電化學切換過程中充當電荷存儲和/或放電口袋。因此，基于順鉑的CTF在常壓下對CO2的最佳吸附量為154.0 mg g-1，在273K時的CO2/N2選擇性為185.8。這種材料在長周期的140°機械彎曲下不會損失電容性能，可以很容易地為商用發光二極管供電。
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