凝聚态物理 > 材料科学
[提交于 2025年2月11日
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标题: CO2在水合二氧化硅纳米孔中的吸附机制:从巨正则蒙特卡罗到经典和从头算分子动力学的见解
标题: CO2 adsorption mechanisms in hydrated silica nanopores: Insights from grand canonical Monte Carlo to classical and ab initio molecular dynamics
摘要: 理解受限系统中的界面现象对于优化CO2捕获技术非常重要。在这里,我们通过结合巨正则蒙特卡罗(GCMC)、经典分子动力学(MD)和从头算分子动力学(AIMD)模拟的综合计算方法,对水合非晶二氧化硅纳米孔中的CO2吸附进行了全面研究。过量吸附等温线显示了显著的水合依赖性,随着水分含量从1%增加到15%,CO2的吸附量从7.6减少到2.6 mmol/g。吸附动力学分析表明存在一种独特的双峰过程,其特征是初始快速吸附随后是缓慢扩散限制的吸附,后者在较高水合水平下变得越来越占主导地位。经典MD模拟显示水合与CO2迁移率之间存在负相关关系,自扩散系数在整个研究的水合范围内均有所降低。密度剖面分析表明,CO2分布在水合诱导下从孔中心区域转变为靠近表面的区域,同时伴随着界面水网络的重排。值得注意的是,AIMD模拟捕捉到了之前未被认识到的化学过程,包括导致表面硅醇形成的质子转移机制,具有特征性的O-O距离为2.4-2.5{\AA },以及通过水介导反应途径自发的CO2水合生成碳酸盐物种。这些发现表明,受限水在CO2捕获中既作为空间竞争者又作为反应介质,为碳捕获材料的设计提供了具有量子力学精度的分子层面的见解。
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