气体在二维MXene层状膜中的吸附、扩散及分离的分子模拟研究

发布时间：2020-05-15 11:29

【摘要】：气体膜分离技术在工业上具有能量成本低、效率高和操作简单等多种应用优点。新兴的基于二维(2D)材料的分离膜具有传统分离膜的优点,并可解决在传统分离膜中存在的渗透性-选择性折衷的问题。最近,实验上用2D材料MXene制成MXene层状膜,其展示出优异的气体分离性能,在气体分离领域具有巨大的应用潜力。本文采用分子模拟的方法研究气体分子在2D MXene层状膜中的吸附、扩散及分离的过程。首先,采用巨正则蒙特卡洛方法考察了纯组分气体分子H_2、CH_4、CO_2及N_2在MXene膜间的吸附规律,研究压力、温度、层间距及官能团组成对气体吸附量的影响。结果表明,低压下,气体吸附量随压力的增加而增加;高压下,吸附量增加的趋势放缓;层间距对气体吸附量具有较大影响,低层间距下层间距的提高将降低气体的吸附量,而大层间距下这一影响将减弱;温度的增加将降低气体分子的吸附量;官能团组成对气体吸附量的影响较小,基本可以忽略。然后,采用全原子分子动力学模拟研究H_2、He、CH_4、CO_2及N_2五种气体分子在MXene纳米通道中的扩散行为,并充分考虑了MXene层状膜层间距、层间水分子对气体扩散的影响。结果表明,气体分子的尺寸、质量和极性及MXene层状膜的层间距、层间水分子对气体扩散有着较大的影响,并因此导致了不同的扩散机制和扩散系数。在层状膜的设计中,可利用此类性质克服在普通分离膜中存在的渗透性-选择性折衷问题。最后,采用全原子分子动力学模拟探究H_2/CH_4、H_2/N_2气体对在MXene层状膜中的分离,研究了MXene层状膜层间距、水含量、通道长度、官能团组成、渗透压力及温度对气体分离的影响。结果表明,气体分子在不同层间距下具有不同的扩散方式,低层间距下进行的构型扩散,将使气体对具有较高的选择性。层间水分子会分割2D纳米通道,同时增加气体分子过膜的行程,由此降低气体分子的通量但提高选择性。通道长度增加会增强膜壁对气体分子的影响,从而扩大CH_4、N_2与H_2气体分子间通量的差异,在降低气体分子通量的同时,提高选择性。官能团组成对于气体渗透的影响较小,压力的提高会增加气体分子的通量,但对选择性的影响却较弱。温度降低,气体通量的下降幅度比较小,而选择性却有一定的提高,因此降低温度有利于气体分离的操作过程。
【图文】：

材料,层状膜,纳米,气体选择性

构以 sp3为主的称为类金刚石碳膜，以sp2为主的高的硬度、化学惰性、低磨擦系数、高阻抗、半导体材料、机械工具、光学器件等[77]。类石墨能稳定，且具有较高的气体选择性[78]。烈地激发了科学界对 2D 材料的兴趣[79, 80]。由横向尺寸，其在分离领域具有巨大的潜力[81, 82化、海水淡化和气体分离等各种分离过程中已，2D 膜可分为层状膜和纳米片膜[83]。前者由分子运动通道，后者则通过纳米片天然存在的图 1-1。通过调整微观结构，2D 膜在超滤、纳滤等各种膜工艺中展现出极佳的分离性能[84, 85]。

石墨,母体

料，如图 1-2。单层石墨烯的制备方法包括微机墨烯由于其六元环孔径太小，且石墨烯的 π 轨道会的间隙，使得连最小的气体分子 He 都不能通过六的厚度、良好的机械强度和优异的化学稳定性使得能的纳米片膜具备极大的可操作性[89]。钻孔所得膜离性能影响很大，一般膜孔孔径越均匀，孔的密。Grossman 等[90]的计算结果展现了纳米多孔单层显示石墨烯纳米片上大小分别为 23.1 2、16.3 排斥和水通道特性，其中水的渗透速率高达 39-66排斥效果的传统反渗透膜相比，是其水渗透速率离子体蚀刻工艺，，生产出膜孔孔径大小在 0.5~1，如 K+、Na+、Li+、Cl-等几乎 100％排斥，而水
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ028.8

【参考文献】