碳纳米狭缝孔中CO/H2吸附分离的GCMC模拟研究

"本文主要探讨了利用巨正则系综Monte Carlo (GCMC)方法研究CO/H2在碳纳米狭缝孔内的吸附和分离现象。研究中，H2和CO采用Lennard-Jones (LJ)单点模型，而孔壁作用势用Steele 10-4-3模型描述。模拟结果显示，在混合气体中，H2的吸附量超过相同分压下纯H2的吸附量，而CO的情况相反。最佳的孔宽为0.74nm，此时H2和CO的吸附量分别为2.0和12.9mmol/g，CO对H2的平衡分离因子达到6.5，条件为300K温度和1.0MPa压力的等物质的量混合气体。进一步的研究发现，平衡分离因子随压力降低而增加，尤其在低压下更为显著，而在0.03MPa时，分离因子超过9.0。随着温度升高，平衡分离因子几乎线性下降；而混合气体中CO的比例增加，会显著提高平衡分离因子。" 在本文中，作者使用了GCMC方法，这是一种统计力学模拟技术，它允许研究者在恒温恒压下模拟大量分子系统的行为。在碳纳米狭缝孔中，由于孔径的纳米尺度，孔内流体的热力学性质受到显著影响，为吸附和分离提供了可能性。CO和H2的LJ模型是一种简化模型，用于描述分子间的相互作用，而Steele 10-4-3模型则用于模拟孔壁与分子间的相互作用力。 研究发现，混合气体中H2的吸附优于CO，这可能是因为H2分子较小且与碳表面的相互作用相对较弱，使得H2更容易进入并吸附在孔隙中。而CO由于较大的分子体积和更强的吸附力，导致其在混合气体中的吸附量低于纯态。通过调整孔宽，可以在特定条件下优化分离效率，如0.74nm的孔宽就表现出最优的H2/CO分离效果。 此外，研究还关注了压力、温度和混合气体组成对吸附和分离性能的影响。压力降低有利于提高分离因子，因为这会导致CO和H2在孔隙内的吸附差异增大。温度升高会减少分离因子，这可能是因为随着温度上升，分子运动加剧，使得吸附差异减小。混合气体组成的变化直接影响到CO和H2的相对吸附量，增加CO的比例可以显著提高分离因子，这为设计高效分离过程提供了指导。 这项研究通过分子模拟揭示了碳纳米孔结构在CO/H2吸附分离中的潜在应用，为纳米孔材料在气体分离领域的设计和优化提供了理论依据。