Исследование адсорбционных слоев на плоских и искривленных поверхностях с использованием классического метода функционала плотности

• Автор: Гринев, Илья Викторович
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Тверь
• Количество страниц: 159 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
Глава 1. Теоретические подходы к исследованию структурных и термодинамических характеристик адсорбционных слоев
1.1. Классификация типов адсорбционных слоев и теоретических подходов к их исследованию
1.2. Классический метод функционала плотности и его применение к адсорбционным слоям с различной геометрией
1.3. Потенциальные приложения метода функционала плотности в водородной энергетике и других прикладных областях

1.4. Заключение

Глава 2. Классический метод функционала плотности и его применение к исследованию адсорбции в системах с плоской геометрией

2.1. Теоретические основы метода и его различные приближения

2.2. Исследование локальной плотности и адсорбции на плоских адсорбентах

2.3. Исследование локальной плотности и адсорбции в плоскопараллельной щелевидной поре
2.4. Расчет теплоты адсорбции
Глава 3. Адсорбционные потенциалы для двумерных и трехмерных адсорбентов с плоской и криволинейной геометрией
3.1. Межмолекулярные взаимодействия и различные виды адсорбционных потенциалов
3.2. Различные варианты одночастичных потенциалов для адсорбентов с плоской поверхностью
3.3. Различные варианты одночастичных потенциалов для адсорбентов со сферической поверхностью

3.4. Одночастичные потенциалы для цилиндрической поры и двумерных цилиндрических адсорбентов (нанотрубок)
3.5. Влияние границ пор
3.6. Учет неоднородности адсорбентов
3.7. Сравнение потенциалов пор различной геометрии
Глава 4. Исследование адсорбции на адсорбентах со сферической геометрией
4.1. Исследование локальной плотности и адсорбции на внешней и внутренней поверхностях двумерных сферических адсорбентов
4.2. Исследование локальной плотности и адсорбции в сферической поре и на сферической частице
4.3. Сопоставление с молекулярно-динамическими результатами и экспериментом
4.4. Расчет теплоты адсорбции
Основные результаты и выводы
Приложение
Список литературы
Введение
Актуальность темы данной диссертационной работы обусловливается тем, что природные и искусственные адсорбенты обычно характеризуются порами с различной геометрией, как правило, - криволинейной. Не считая методов атомистического моделирования, можно отметить довольно мало теоретических методов надежного расчета адсорбции и других адсорбционных характеристик. Среди теоретических методов наибольшее распространение получили полуэмпирические подходы, основывающиеся на сравнительных расчетах с использованием уравнения состояния адсорбционного слоя, например уравнения Дубинина-Радушкевича. По нашему мнению, одним из наиболее перспективных теоретических методов расчета распределений локальной плотности и адсорбции на твердых поверхностях с различной геометрией и в модельных порах пористых адсорбентов является классический метод функционала плотности (МФП). По заданному потенциалу межмолекулярного взаимодействия в адсорбционном слое и одночастичному (адсорбционному) потенциалу подложки или стенки поры этот метод позволяет находить профили локальной плотности, избыточную и абсолютную адсорбцию, а также теплоту адсорбции. В РФ классический МФП практически не применяется, хотя он достаточно известен за рубежом. Немногими исключениями являются работы Т. В. Быкова и А. К. Щекина, посвященные изучению структуры малых капель, и работы Е. А. Устинова, непосредственно связанные с расчетами адсорбционных характеристик. Для систем с криволинейной геометрией основы классического МФП и его приложения разработаны в гораздо меньшей степени. Не вполне разработано даже научное направление, связанное с выводом одночастичных (адсорбционных) потенциалов, хотя, они необходимы для применения не только данного метода, но и гибридных схем атомистического моделирования, при которых адсорбент учитывается в континуальном приближении. С практической точки зрения тема данной диссертации актуальна в связи с важной ролью адсорбционных явлений в ряде технологических процессов, в том числе в химической технологии, энергетике и электронике.

температуре 80 К и давлении 10 МПа составляет УУ~ 8,25 %. К. Ванг и К. Джонсон [79] для системы нанотрубок, находящихся при температуре 77 К и давлении 5 МПа в результате моделирования получили 1^=5%. Эти же исследователи [80] выполнили моделирование пространственного расположения нанотрубок с целью получения наилучшей структуры для повышения количества хранимого водорода. В результате было выяснено, что расстояние между нанотрубками в большой степени влияет на количество адсорбированного водорода, которое достигает максимального значения, когда влияние соседних нанотрубок мало, и адсорбцию водорода можно рассматривать как адсорбцию, приходящуюся на одну изолированную нанотрубку. После оптимизации пространственной структуры системы нанотрубок при давлении 5 МПа и температуре 77 К - И7, составило 10%. Эти данные соответствуют результатам работы [79], где те же авторы, при таких же термодинамических параметрах для одиночной нанотрубки, получили значение ¥ = 10.5%. Авторы работы [81] опытным путем получили Щ= 5,5 %. В [82] Симонян и др. осуществили моделирование адсорбции водорода на заряженных одностенных нанотрубках. Это дало увеличение показателя адсорбции всего на несколько десятых долей процента даже при использовании улучшенной конфигурации расположения нанотрубок. Следует учитывать, что на внутреннюю поверхность нанотрубок адсорбировалось только И/1= 1,6% при давлении 5 МПа и температуре 77 К, а при давлении 5 МПа и температуре 293 К результат составил всего }¥,= 0,2%. Этот результат согласуется с опытными данными А. Энсона и др. [69], в которых Ш = 0,1%, и результатами моделирования в работе [83], где авторы получили результат адсорбции менее одного массового процента. Исследования по адсорбции водорода в неорганических нанотрубках, проведенные Ю. Ченом и др. [84], прорывных результатов не принесли. Массовое и объемное содержание водорода почти равно приведенным ранее показателям адсорбции в углеродных нанотрубках. Результаты численного эксперимента из работы [85] на неорганических нанотрубках сравнимы с адсорбцией водорода в углеродных