概述
提高多孔碳基材料的气体吸附能力
工业应用
石油化工，运输及汽车，商用化学品
挑战
测定碳基固体的吸附能力
吸附材料吸附能力的调节
模拟工作
将实际问题转化为系列模拟计算
构建合理的多孔材料分子模型并进行表面改性
计算纯材料及功能化材料的吸附等温线
分析吸附与结构特性间的关系
模拟结果
成功预测了碳基材料对多种气体的吸附能力。为通过表面系统改性提高吸附能力的可行性提供思路。
分类
· 工业应用
石油天然气及石油化工
精细化工品
· 软件
· Classical
AMORPHOUS BUILDER
GROMACS
LAMMPS ATOMISTIC
TOWHEE
· Engineering
MAPS
· 性质
吸附等温线
· 应用
分离
气体吸附在诸多技术应用中具有重要作用。一个突出的例子为去除蒸汽中的其他气体。其他应用领域还包括燃料储存及气体分离。对温室气体排放法规的日益严格及石油开采规模的扩大推动着碳收集及储存市场的不断发展。据估计在接下来几年内增长将超过9%。因此首要任务是提高吸附材料的吸附能力。碳纳米管（CNTs）与活性炭由于易于获取、孔结构可调、表面化学特性极低的再生成本低而被认为是具有潜力的固体吸附剂。
挑战
一种具有潜力的固体吸附剂材料应具备多种独特的物理及化学性能。多种特性包括与不同相的相互作用、孔的几何形状或热力学条件、对选择性吸附的控制等。在本研究中，我们利用MAPS的Towhee模块考察了纯气体CO、CO2、N2及CH4在CNTs 内的吸附及活化石墨的吸附能力与活性位密度间的关系，为如何通过表面改性提高这类材料的吸附能力提供思路。
模拟工作
利用MAPS建模工具构建了合理的模型体系。首先利用Towhee模块通过NPT蒙特卡洛（MC）模拟计算了每种纯气体在所关注热力学状态下的超额化学势。第二步通过巨正则蒙特卡洛模拟（GCMC）测定这些气体在碳纳米管模型内的吸附。在0.01 – 2.0 MPa的压力区间内计算了298 K下的吸附等温线。接下来考察了CO2及CO在活化石墨上的吸附。为活化石墨模型，向表面引入了3种密度的羧基及羟基。
模拟结果
模拟得到的气体吸附量按CO2 > CO > N2，CH4的次序降低。所发现的趋势与实验结果是一致的。此外还发现石墨烯的吸附能力随活性位密度的增加而增加。模拟对密度的分析结果显示所吸附的气体分子主要分布于孔壁附近，提示存在着毛细凝聚作用。
所展示的模拟手段可被广泛应用于多孔材料的吸附研究中，可对表面改性的影响进行系统研究。
无定型碳化硅的结构及机械性能模拟
MAPS材料及化工过程设计平台是集多款优秀的第三方材料设计软件的、多尺度、可扩展的平台；可应用于从量子化学计算到中尺度计算。MAPS包括友好的图形用户界面供用户建模、方便分析计算结果。 MAPS适合描述含能材料、离子液体、高分子材料、合金材料、复合材料、电池材料等性质。
(1)建模功能：
晶体模型、无定型结构模型、表面和界面模型、聚合物模型、交联模型及特殊模型；
(2)分析功能：
自动从结果提取关键性质、粘度分析、密度分布分析、孔径分析、径向分布函数、均方根位移分析、扩散系数分析、相关函数分析、反应产物片段分析、基元反应分析。
MAPS-TOWHEE:
功能全面的蒙特卡洛方法计算软件，支持的力场和蒙特卡洛移动种类多是其最大的特点。
(1) 模拟多孔材料（如沸石、高分子膜、石墨烯和纳米碳管）和表面的吸附性能。
(2) 支持 Gibbs 系综，可模拟相平衡（包括液 / 液、气 / 液），专门应用于制冷剂开发。
(3) 根据压强（或化学势），基于巨正则系综快速预测吸附等温线，应用于气体分离、CO2 捕获、高分子透气膜性能预测和污水处理等研究。
(4) 得到的物理化学性质可提供给化工工程师进行 MAPS-SciTherm 状态方程建模和热力学过程设计。
