基于液体准晶模型的纳米狭缝孔内吸附特性理论研究

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被限制在几个分子直径的纳米空间内的液体分子,表现出与主流体不同的物理性质。如何更好的理解尺寸效应及纳米孔内液体分子的分布具有重要的理论意义。对于纳米孔内液体分子的吸附机理的研究,有助于指导使用时对吸附剂的选择,有助于拓宽吸附剂的应用范围,且对吸附剂的脱附也有一定的应用价值,因此,了解微观的吸附机理和限制空间内液体分布对吸附的影响也具有重要的实际意义。有关吸附现象的研究虽然有较长的历史,但仍是一个相当活跃的研究领域。由于经典的热力学理论只能对液体吸附平衡特性作近似的研究,很多研究人员就试图从微观的分子相互作用势能来研究。由于孔壁的引入,液体分子不仅受到周围液体分子对其的束缚,而且还受到孔壁对其的束缚。液体分子受到多重的影响,会表现出一系列不同于自由状态下的液体分子的现象,如吸附在孔壁上,在孔内分层、气液转变、液液转变等现象。但目前对液体吸附在纳米孔内的研究,大都采用的方法如分子动力学、蒙特卡罗的子模拟、密度泛函理论以及由Donohue等拓展的格子理论,应用的关键是准确确定微观分子间作用势。虽然分子模拟具有较高的预测精度,但其算法较为复杂,并且这些方法对于液体分子吸附于纳米孔内,到底是如何排列的,并没有明确指出,且大都研究的是气体的吸附。对各种吸附剂的吸附实验和分子模拟的研究不少,但是真正从分子层面用解析的方法研究吸附机理的理论研究还很缺乏。本文从理论研究入手,首先,从微观角度提出了液体分子的准晶模型,利用L-J势能函数和Stockmayer势能函数来表示非极性和极性分子间的相互作用,建立了液体分子受周围其他液体分子的束缚势能表达式,并用推导出的汽化热的理论计算公式,计算了几种常见的物质在沸点时的汽化热,结果表明,计算值与实验值基本相符,说明液体准晶模型有一定的合理性。其次,利用L-J势能函数、Stcokmayer势能函数及10-4-3势能函数,结合液体在狭缝孔内的准晶模型,从理论上计算了液体分子受到的总的束缚势能,讨论了液体分子在狭缝孔内的势场,结果表明,和现有的结论较为相符,说明纳米狭缝孔内的液体准晶模型有一定的合理性,同时,也可以从微观计算所得的数据解释一些实验现象。最后,提出了纳米狭缝孔内单层饱和吸附和双层饱和吸附的模型,并对两种代表性物质的单层吸附及双层吸附的吸附热分别进行了计算,结果表明,计算值与现有的实验事实理论较为相符。本工作为吸附机理的研究提供了一种新的研究方法,为吸附剂的脱附再生提供了一定的理论指导。
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