二维材料（C2N、Ti3C2）用于气体混合物分离的多尺度模拟

• 作 者: 胡晖
• 出 处: 浙江工业大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: 二维材料 密度泛函理论 分子动力学模拟 气体分离

当今世界能源问题和环境问题日益突出,气体分离已然成为化工和环境领域的重要课题之一。气体膜分离技术具有分离效率高、耗能低、投资少、设备占地面积小和工艺流程简单等优势,而开发高选择性和高透过性的新型膜材料是该技术广泛应用的关键。特别是近年来的研究热点新型二维膜材料有望成为该领域的高效分离膜材料。本文结合密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟,针对拥有天然纳米孔的C₂N（不同拉伸强度下）材料和新型二维材料MXenes中的典型代表多层Ti₃C₂材料,研究其在特定体系下的分离性能。在模拟中采用了对单层膜双轴拉伸扩孔的新思路实现了对混合气体的逐级分离,而对多层膜体系,主要采用对Ti₃C₂新型材料表面官能团化的方法改变气体分子的扩散速率从而实现气体的有效扩散分离。模拟结果与实验或理论结果吻合良好,为实验提供理论指导。本文的研究内容主要分为以下两个部分:（1）我们采用不同拉伸强度控制的多孔C₂N二维膜材料分离O₂/CO₂/CO混合气体,结果表明气体的透过性随多孔C₂N拉伸程度增加而增加。控制拉伸10%时,多孔C₂N能够高效分离CO,并能保持O₂的高透过量。这种材料将有望用于质子交换膜燃料电池（PEMFC）的阴极气体纯化。更重要的是这种通过拉伸膜材料来改变其气体选择性的策略可以扩展应用到更多二维膜材料的气体分离中。（2）本文还采用多层Ti₃C₂材料分离H₂/N₂/NH₃混合气体,通过调控Ti₃C₂层间距、孔间距离和表面官能团化等,实现了NH₃的高效分离。我们发现羧基修饰的Ti₃C₂吸附NH₃能力较强,同时不影响H₂和N₂的快速传递,以此达到较好的分离效果。同时,本文也采用多层Ti₃C₂材料分离CO₂/N₂混合气体,通过调控Ti₃C₂层间距、孔间距离和表面官能团化等,实现了CO₂的高效分离。