多孔石墨烯（类石墨烯）用于低浓度CO2烟道气分离的电荷筛分机理研究

摘要

温室气体(主要为 CO2)排放量的不断增加是导致全球变暖的主要原因。为达到CO2减排，最直接有效的途径之一是对排放的CO2进行捕集。通过火力发电厂烟道气排放的CO2占到总排放的40％左右，因此从烟道气中分离 CO2(CO2/N2分离)并捕获是目前研究的热点。与传统的分离技术相比，膜分离技术具有能耗和成本低、效率高、设备占地面积小以及易维护等优点，是最有效的气体分离手段之一。目前膜分离所用膜材料一般为选择性透过CO2膜，然而火力电厂排放的烟道气中CO2浓度较低，CO2分压过低，分离时需要大幅压缩气体以驱动 CO2透过膜材料，能耗极大。而考虑到烟道气中较高的 N2分压，N2选择性膜更适合用于火力电厂烟道气的分离。然而，目前针对N2选择性膜的研究鲜有相关报道。
　　多孔石墨烯(类石墨烯)仅具有单原子层，可最大限度的减小气体传输阻力而被认为是“超级膜”，良好的机械性能和化学稳定性使其成为颇具潜力的气体膜分离材料。目前针对多孔石墨烯(类石墨烯)在气体膜分离方面的实验研究尚处于起步阶段，而理论计算可以提供直观的分子层面、电子层面的信息，能更加深刻地了解和探索材料的性质及性能。基于此，本文利用密度泛函理论(DFT)计算和分子动力学(MD)模拟方法对多孔石墨烯(类石墨烯)的气体分离性能和机理进行了深入研究，为合成具有N2选择性的新型膜材料提供有益指导，实现更经济以及更高效的 CO2捕获。主要研究内容和结论包括：
　　（1）通过去除石墨烯模型中的部分C原子设计了不同孔径的H功能化多孔石墨烯，通过 DFT计算和 MD模拟方法研究了这些多孔石墨烯对CO2/N2混合物的分离性能。研究结果表明，具有4.06?孔径的H-pore-13多孔石墨烯膜，可以高效分离CO2/N2混合物。不同于已报道的基于尺寸筛分效应而选择性透过CO2的膜材料，H-pore-13可以选择性透过N2并阻碍较小尺寸的 CO2透过，N2通量达到105 GPU(气体通量单位)。进一步研究表明，这一反常分离现象是由H原子的引入产生的电荷筛分效应所导致的。
　　（2）化学功能化修饰多孔石墨烯的纳米孔，可调控纳米孔与气体分子间的相互作用能，进而促进或阻碍气体分子穿过纳米孔。为深入理解这一机理，我们设计了两种不同孔尺寸的F功能化多孔石墨烯，通过DFT和MD方法研究了其对CO2/N2混合物的分离性能。研究结果表明，气体分子穿过多孔石墨烯时的吸附势阱位置对分离性能具有重要影响。通过调整气体分子的吸附势阱位置，多孔石墨烯对气体的选择性可以被反转，而吸附势阱位置的调整可通过对石墨烯孔的功能化而调控其带电状态实现。这种吸附势阱位置筛分效应是另一种形式的电荷筛分效应。同时研究也表明，F功能化多孔石墨烯在烟道气分离方面具有较大的潜在应用价值。
　　（3）通过DFT计算和MD模拟相结合的方法，研究了与前期理论设计的H-pore-13模型具有类似孔形和孔尺寸的二维多孔Poly(triazine imide)(PTI)材料，探讨了其是否同样选择性透过N2而高效分离CO2/N2。在PTI膜中，理论预测的N2的通量可以达到106 GPU，比传统典型聚合物分离膜的气体通量(~100 GPU)高出4个数量级。同时，预测的N2/CO2分离选择性系数达到530，而一般CO2/N2分离膜的选择性系数均在100以下。因此，选择性透过 N2的 PTI膜有望用于低浓度CO2的烟道气分离，填补选择性透过CO2膜不适用于低CO2含量烟道气分离的空缺。
　　（4）作为扩展研究，我们同时考察了另一种类石墨烯二维多孔材料(三氮杂苯有机骨架膜，CTF-0)的气体分离性能。结果表明，相对其他气体，CTF-0膜具有异常高的He和H2选择性(104-1038)，远远超过传统碳膜和二氧化硅膜的气体选择性。在300 K时，He通量超过工业标准2个数量级；对于H2，当温度高于355 K时，H2通量开始超过工业标准，在500 K，H2通量也超过了工业标准2个数量级。因此，CTF-0膜在He分离和H2纯化方面具有潜在应用。
　　（5）针对燃烧后CO2捕获分离方式中的CO2/ N2混合物分离问题，我们进行了上述相关研究。而作为扩展研究，我们也考察了氧气燃烧 CO2捕获技术中的O2/N2分离问题。目前氧气燃烧CO2捕获中所消耗的高纯O2，主要是从空气(N2)中深冷分离得到，这种方式比较耗能。有研究表明具有不饱和配位金属的金属有机骨架材料可以通过弱化学作用常温下选择性的吸附O2，进行O2/N2分离，但脱O2困难。针对此问题，我们利用色散力校正的DFT计算，考察了O2在一系列具有不饱和配位金属的M3BTC2(M=Cr、Mn、Fe、Co、Ni和Cu)中的吸附行为。结果表明，O2在M3(BTC)2上的吸附能与从不饱和配位金属转移到O2的电荷量呈正相关。O2与M3(BTC)2的吸附能可通过金属取代的方法进行大幅度调整，其中Ni3(BTC)2可实现在常温下对吸附O2的完全脱除，且具有较高的O2/N2选择性，是一种较有潜力的常温O2/N2分离材料。

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第一章 文献综述

1.1 全球变暖与温室气体减排

1.2 CO2分离捕获技术

1.3 膜分离材料简介

1.4 二维多孔材料在气体分离方面的应用

1.5选题背景依据与研究内容

参考文献

第二章 计算方法介绍

2.1量子化学方法

2.2分子力学方法

2.3分子模拟方法

参考文献

第三章H功能化多孔石墨烯用于 CO2/N2分离的机理研究

3.1引言

3.2气体分离模型的构建与模拟方法

3.3多孔石墨烯模型的结构优化

3.4分子动力学模拟分析

3.5气体分子穿过石墨烯的能垒分析

3.6 Mulliken电荷分析

3.7 本章小结

参考文献

第四章 F功能化多孔石墨烯用于 CO2/N2分离的机理研究

4.1引言

4.2模型与方法

4.3 F功能化多孔石墨烯的孔尺寸

4.4分子动力学模拟结果

4.5势能曲线分析

4.6电子密度等势面和Mulliken电荷分析

4.7本章小结

参考文献

第五章类石墨烯二维Poly(triazine imide)用于CO2/N2分离研究

5.1引言

5.2模型与方法

5.3 PTI膜的孔尺寸和结构稳定性

5.4气体穿过膜时的扩散能垒

5.5基于气体扩散能垒的气体分离性能分析

5.6分子动力学模拟

5.7本章小结

参考文献

第六章 类石墨烯二维共价三氮杂苯有机骨架用于气体分离研究

6.1引言

6.2计算细节

6.3结构稳定性分析

6.4气体穿过CTF-0膜的扩散能垒

6.5电子密度等势面分析

6.6 CTF-0膜的气体分离选择性分析

6.7 CTF-0膜的气体分离通量分析

6.8本章小结

参考文献

第七章 金属有机骨架材料不饱和金属位上的O2吸附性能研究

7.1引言

7.2模型与方法

7.3计算方法准确性验证

7.4相互作用能和构型

7.5潜在O2/N2分离性能

7.6本章小结

参考文献

第八章 结论与展望

8.1 主要研究结论

8.2 展望与建议

致谢

攻读学位期间的学术成果

博士学位论文独创性声明