导　　师： 李理波

授予学位： 硕士

作　　者： ;

机构地区： 华南理工大学

摘　　要： 气体膜分离技术在工业上具有能量成本低、效率高和操作简单等多种应用优点。新兴的基于二维(2D)材料的分离膜具有传统分离膜的优点，并可解决在传统分离膜中存在的渗透性-选择性折衷的问题。最近，实验上用2D材料MXene制成MXene层状膜，其展示出优异的气体分离性能，在气体分离领域具有巨大的应用潜力。本文采用分子模拟的方法研究气体分子在2DMXene层状膜中的吸附、扩散及分离的过程。　　首先，采用巨正则蒙特卡洛方法考察了纯组分气体分子H2、CH4、CO2及N2在MXene膜间的吸附规律，研究压力、温度、层间距及官能团组成对气体吸附量的影响。结果表明，低压下，气体吸附量随压力的增加而增加;高压下，吸附量增加的趋势放缓;层间距对气体吸附量具有较大影响，低层间距下层间距的提高将降低气体的吸附量，而大层间距下这一影响将减弱;温度的增加将降低气体分子的吸附量;官能团组成对气体吸附量的影响较小，基本可以忽略。　　然后，采用全原子分子动力学模拟研究H2、He、CH4、CO2及N2五种气体分子在MXene纳米通道中的扩散行为，并充分考虑了MXene层状膜层间距、层间水分子对气体扩散的影响。结果表明，气体分子的尺寸、质量和极性及MXene层状膜的层间距、层间水分子对气体扩散有着较大的影响，并因此导致了不同的扩散机制和扩散系数。在层状膜的设计中，可利用此类性质克服在普通分离膜中存在的渗透性-选择性折衷问题。　　最后，采用全原子分子动力学模拟探究H2/CH4、H2/N2气体对在MXene层状膜中的分离，研究了MXene层状膜层间距、水含量、通道长度、官能团组成、渗透压力及温度对气体分离的影响。结果表明，气体分子在不同层间距下具有不同的扩散方式，低层间距下进行的构型扩散，将使气体对具有较高的选

关 键 词： 二维 层状膜 分子模拟 吸附性能

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