不同管径碳纳米管中CO_2/CH_4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO2减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo(GCMC)和平衡分子动力学(EMD)的分子模拟方法研究CO2和CH4在不同管径的碳纳米管(CNT)中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO2/CH4二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明:由于碳管的受限空间和CO2与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO2/CH4的吸附量和扩散系数的差异。CO2的吸附量和自扩散系数都比CH4的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。     

复杂流体-固体界面相互作用热力学机制

具有复杂结构的纳微界面往往是界面复杂作用和宏观实验现象的主导因素。要准确描述界面处复杂流体的行为,需要引入能描述复杂流体-固体界面相互作用的分子热力学模型。本综述围绕分子热力学模型化方法拓展至纳微界面传递问题,提出“分子热力学建模+分子模拟+纳微实验”三者有机配合新思路。并针对复杂流体-固体界面相互作用的定量研究,着重综述了作者在热力学建模,分子模拟以及采用原子力显微镜 (atomic force microscopy,AFM) 实验方面的研究进展,创新性地提出将AFM定量化分析作为桥梁,用于构建分子模拟模型,描述复杂界面作用,揭示分子热力学机制,为构建纳微界面传递模型以及分子热力学模型由体相拓展至界面提供了可能。     

材料化学工程科学内涵及方法初探:从介观尺度界面流体行为出发认知材料

作为一门新兴的交叉学科,材料化学工程科学内涵的进一步凝练和方法论的建立显得十分重要和迫切。介观尺度下界面流体的研究对于材料化学工程具有重要意义,材料化学工程的科学内涵在于通过认识介观尺度下界面处流体行为来"认知"材料,以期建立材料结构、性能(应用)与制备(生产)三者之间的关系。其中,弄清介观尺度下复杂作用和复杂结构对界面流体行为的影响,是"认知"材料的关键。分子模拟技术作为单因素遴选介观尺度各影响因素的有效手段,在实际应用中存在两大难点:如何同时获得界面流体反应和传递两个方面的信息;如何实现分子层面认识在材料应用层面的转化。基于此,初步讨论了材料化学工程研究方法的发展趋势。     

原位合成的介孔TiO2-B/锐钛微粒:改善的锂离子电池阳极材料（英文）

Mesoporous TiO2-B/anatase microparticles have been in-situ synthesized from K2Ti2O5 without template. The TiO2-B phase around the particle surface accelerates the diffusion of charges through the interface, while the anatase phase in the core maintains the capacity stability. The heterojunction interface between the main polymorph of anatase and the trace of TiO2-B exhibits promising lithium ion battery performance. This trace of 5%(by mass) TiO2-B determined by Raman spectra brings the first discharge capacity of this material to 247 mA·h·g?1, giving 20%improvement com-pared to the anatase counterpart. Stability testing at 1 C reveals that the capacity maintains at 171 mA·h·g?1, which is better than 162 mA·h·g?1 for single phase anatase or 159 mA·h·g?1 for TiO2-B. The mesoporous TiO2-B/anatase microparticles also show superior rate performance with 100 mA·h·g?1 at 40 C, increased by nearly 25%as compared to pure anatase. This opens a possibility of a general design route, which can be applied to other metal oxide electrode materials for rechargeable batteries and supercapacitors.     

水化在18-冠醚-6对K+和Na+选择过程中作用的理论研究

A combination of molecular dynamics (MD) and density functional theory (DFT) calculations were used to study the hydration structures of K+ and Na+ ions under the confinement of 18-crown-6 in order to identify the role of water in the selectivity of 18-crown-6 towards K+. The radial distribution functions, coordination numbers, orientation structures and interaction energies were analyzed to investigate the hydration of K+ and Na+ in 18-crown-6/cation complexes. All calculations of K+ and Na+ in bulk water were also conducted for comparison. The simulation results show that the orientation distributions of the water molecules in the first coordination shell of K+ are more sensitive to the confinement of 18-crown-6 than those of Na+. It is more favorable to confine a K+ in 18-crown-6 than a Na+ in terms of interaction energy. Good agreement is obtained between MD results and DFT results.     

受限界面处流体分子行为的调控及相关分子热力学模型初探:基于高比表面氧化钛的研究进展

纳米受限界面处的流体由于受到界面性质的影响显著,且存在复杂的传递和反应机制耦合问题,其流体分子行为难以调控,成为了现代化工新技术(如膜过程、多相催化)突破的瓶颈。结合了近几年本课题组的相关工作进展,以化学性质稳定的高比表面氧化钛作为研究平台,对界面处流体分子受限行为进行分析,研究了传递和反应机制分别对界面处流体行为的影响,并探索其调控机制;同时对建立的相应分子热力学模型进行了初步探索,通过原子力显微镜技术将界面摩擦性质和分子间相互作用关联,为分子热力学模型提供分子参数。     

分子模拟在化学工程中的应用

总结了不同尺度分子模拟技术在化工中的发展现状,利用量化计算的方法,可以研究纳微尺度表界面的活性及其对催化反应的影响。采用分子动力学模拟可很方便地研究受限条件下流体行为,采用粗粒化模拟技术可研究介观结构。最后介绍了反应力场模拟这种涵盖反应和传递的模拟新方法。随着模拟理论和并行技术的进步,分子模拟的定量化程度越来越高,必将与化工应用的实验结果越来越有可比性,从而在化工生产和实践中担当更重要的角色。     

新型介孔碳-氧化钛纳米复合材料的制备及协同效应

以介孔氧化钛MTiO2为钛源,葡萄糖为碳源,在500℃的N2保护下合成新型介孔碳-氧化钛纳米复合材料(CMT)。采用X射线衍射、热重和低温N2物理吸附方法对CMT的结构进行表征,同时以甲基橙为目标污染物评价CMT的吸附性能和光催化降解性能。结果表明:随着碳含量的增加,CMT的吸附性增强,但过量的碳会使CMT的光催化性能下降。当碳含量为2%时,纳米复合材料(003CMT)呈现高结晶度的锐钛晶型,生成的碳分散在MTiO2内、外壁面,比表面积为69.8m2/g,孔容为0.22cm3/g,孔径为9.69nm;紫外光催化降解能力超过原有的MTiO2的,说明通过调整碳含量可以让CMT发挥碳的吸附和介孔TiO2光催化的协同效应,提高其光催化性能。     

介孔TiO2对不同蛋白的选择性固定化性能

通过500℃下焙烧H₂Ti₂O₅制备介孔TiO₂-500作为高效液相色谱的固定相填料,测试牛血清蛋白（BSA）、肌红蛋白（myoglobin）、溶菌酶（lysozyme）在不同pH环境下的停留时间分布,结果表明,在pH=4.7,三种蛋白质几乎都固定化,在pH=7.4和11条件下,三种蛋白通过色谱柱的停留时间为溶菌酶>肌红蛋白>牛血清蛋白。三种蛋白在介孔TiO₂-500表面的宏观常压吸附量的结果与色谱结果相一致,介孔TiO₂-500对于三种蛋白的固定化能力为溶菌酶>肌红蛋白>牛血清蛋白。因此,该介孔TiO₂对不同蛋白的显著的固定化性能的差异使其在蛋白质的吸附和分离、固定化酶等领域有着潜在的应用。     

不同管径碳纳米管中CO2/CH4分离的分子模拟

生物甲烷路线在CO₂减排和节能方面有很大的应用前景。而对生物沼气的分离是此路线的一个关键问题,特别是在60℃和0.1 MPa下。巨正则Monte Carlo（GCMC）和平衡分子动力学（EMD）的分子模拟方法研究CO₂和CH₄在不同管径的碳纳米管（CNT）中的吸附和扩散,可以从分子层面研究生物沼气的分离机理。分别计算了CO₂/CH₄二元混合物吸附量、吸附选择性、自扩散系数和渗透选择性等参数。模拟结果表明：由于碳管的受限空间和CO₂与碳纳米管壁面分子之间强相互作用,导致二元等物质的量的混合物CO₂/CH₄的吸附量和扩散系数的差异。CO₂的吸附量和自扩散系数都比CH₄的大。渗透选择性在碳管管径达到最接近1 nm时达到最大值,此时混合物的分离过程是吸附控制,而非扩散控制。