混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究

鲁效庆; 王茂槐

doi:doi:10.15541/jim20190214

无机材料学报, 2020, 35 (4): 469, 网络出版: 2021-03-01

混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究

Theoretical Investigation on Adsorption and Separation of CO₂/N₂ in Hybrid Ultramicroporous Materials

论文大纲

鲁效庆王茂槐

作者单位

中国石油大学(华东) 材料科学与工程学院, 青岛 266580

巨正则蒙特卡洛混合超微孔材料吸附分离 grand-canonical Monte Carlo hybrid microporous materials adsorption separation

摘要

碳捕获与封存技术是一种具有前景的CO₂减排策略。本工作采用巨正则蒙特卡洛模拟研究了温度为298 K、压强在0~5 kPa范围内三种混合超微孔材料SIFSIX-X-Cu(以SiF₆^2-排列, Cu为金属中心, X=2, 3, O)中CO₂/N₂吸附与分离的行为。结果显示, 相比于SIFSIX-2-Cu, SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中CO₂在0.5 kPa就达到吸附饱和, 且在1 kPa下的吸附量分别达到了2.70与2.39 mmol·g ^-1。CO₂/N₂混合气体中CO₂的吸附量几乎没有下降。SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu具有接近于CO₂分子动力学直径的孔径, 对CO₂亲和力较大, 吸附热分别达到了59和66 kJ·mol ^-1。密度泛函理论分析发现, 在两种结构中每个孔隙只吸附一个CO₂分子, 且几乎处于孔道的中心。本工作为低压下吸附与分离CO₂的混合超微孔材料的开发提供了理论指导。

Abstract

Carbon capture and storage (CCS) is a promising strategy for reduction of CO₂ emissions. Herein, CO₂/N₂ adsorption and separation in three SIFSIX-X-Cu (arrayed via SiF₆^2- with Cu metal center, X = 2, 3, O) hybrid ultramicroporous materials at 298 K within 0-5 kPa were investigated by using grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulation. Results showed that, in contrast to SIFSIX-2-Cu, CO₂ adsorption in SIFSIX-3-Cu and SIFSIX-O-Cu reached saturation at 0.5 kPa and their CO₂ adsorption capacity were 2.70 and 2.39 mmol·g ^-1 at 1 kPa, respectively. The CO₂ adsorption capacity in CO₂/N₂ mixture barely decreased. SIFSIX-3-Cu and SIFSIX-O-Cu owned close pore sizes to CO₂ dynamics diameter, thereby exhibiting high CO₂ affinity with adsorption heat of 59 and 66 kJ·mol ^-1, respectively. Density functional theory (DFT) analyses showed only one CO₂ molecule could be adsorbed in each hole and located at the center of SIFSIX-3-Cu and SIFSIX-O-Cu. Our results provide a theoretical guidance for developing ultramicroporous materials in adsorption and separation of CO₂ at low pressure.

温室气体尤其是CO 2 的大量排放造成的环境问题 [1] 促使碳捕获与封存(CCS)技术 [2, 3, 4] 成为一种前景广阔的技术。CO 2 在低浓度中的捕获常常在与能源、环境和健康有关的各种关键工业应用中发挥重要作用 [5] 。目前, 空气中低浓度的CO 2 (400 μL\cdotL -1)和受限空间中极低含量的CO 2 (<0.5%)常用化学吸附剂 [6], 如水胺溶液和氢氧化钠溶液, 作为吸附材料进行捕捉。然而, CO 2 解吸/再生过程中需要较高的能量, 因此, 开发新一代具有高CO 2 选择性、中度CO 2 吸附热的物理吸附材料更有应用前景。

金属有机骨架材料(MOFs)由于具有较高的热力学稳定性、大的孔容量和易设计、易调整的结构特性, 表现出良好的碳捕获与分离性能 [7, 8] 。Choi等 [9] 和McDonald等 [10] 各自报道胺结合在Mg-MOF-74上可对环境中的CO 2 有较好的吸附性能。但是CO 2 和胺形成了强化学键(70 kJ\cdotmol -1), 再生困难。Caitlin等 [11] 研究了[Zn-(ZnOH) 4 (bibta) 3]对痕量CO 2 的吸附性能, 发现40 Pa时吸附量达到了2.2 mmol\cdotg -1, 但最佳吸附位点占据之后, 吸附性能减弱。另外, Xue等 [12] 研究了一系列以稀土元素为金属中心的fcu-MOFs, 通过调节金属离子与电荷密度, CO 2 的吸附热达到了58 kJ\cdotmol -1, 能够可逆, 但它对CO 2 分子的亲和力迅速降低, 造成吸附能力下降。Nugent等 [13] 报道的SIFSIX(含有SiF 6 2- 离子)系列MOFs材料在低压下对CO 2 的吸附有很好的效果, 且保持高亲和力的能力较强, 但CO 2 /N 2 分离性能的相关机理尚不清楚。

本工作采用巨正则蒙特卡洛(GCMC)和密度泛函理论(DFT)模拟, 系统地研究了SIFSIX-X-Cu型混合微孔材料中CO 2 /N 2 的吸附与分离行为。首先采用DFT方法优化结构, 探究材料的孔隙结构、比表面积、孔隙尺寸等拓扑结构, 然后计算CO 2 /N 2 的吸附及竞争吸附行为, 最后分析CO 2 /N 2 的吸附及竞争吸附机理。

1 模型与方法

如 图1 所示, 本工作研究的三种结构为SIFSIX-3-Cu、SIFSIX-2-Cu (贯通结构)和SIFSIX-O-Cu, 拓扑结构一致, 但连接体不同, 分别为吡嗪、4,4’-联吡啶乙炔和1,4-苯醌。吸附质分子CO 2 和N 2 均采用三维模型, 两个分子的雷纳德琼斯势能(LJ)参数采用Potoff和Siepmann [14] 的TraPPE模型。骨架中C、H、O、N原子的LJ势能参数采用Dreiding力场 [15] 参数, 而Si、Cu原子采用UFF力场 [16] 下的参数。

图 1. (a) SIFSIX-3-Cu、(b) SIFSIX-2-Cu和(c) SIFSIX-O-Cu的SIFSIX-X-Cu结构

Fig. 1. Structures of SIFSIX-X-Cu: (a) SIFSIX-3-Cu; (b) SIFSIX-2-Cu; (c) SIFSIX-O-Cu

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使用MuSiC软件 [17] 对所有的吸附进行模拟。本工作中的模拟为1\times10 7 个循环过程, 其中前4\times10 6 个循环用来平衡, 后6\times10 6 个循环用作周期系综平均及数据分析。采用Materials Studio软件中Dmol 3 程序包 [18] 计算CO 2 分子在基本单元上的吸附能(E ad)。采用广义梯度近似(GGA)以及其中的主要用于固体计算的PBE泛函 [19] 来描述交换-关联相互作用。计算过程中采用色散修正 [20] 来描述范德华相互作用。吸附能的计算公式为:

(1)E_ad=E_{framework+gas}-E_framework-E_gas

其中 E framework+gas 、 E framework 和 E gas 分别是骨架吸附气体后, 骨架和气体的能量。

2 结果与讨论

2.1 孔隙拓扑结构

本工作采用Sarkisov [21] 和Düren [22] 方法来评估孔隙拓扑结构, 探究骨架的孔容量 V P 、孔隙直径 D 、孔隙度 Φ 和表面积 A 等特性。三种混合超微孔材料的孔容量(0.22~0.40 cm 3 \cdotg -1)和孔径(0.34~0.52 nm)都很小, 骨架孔隙率及表面积也很低, 孔隙率不到40%, 而表面积只有300~735 m 2 \cdotg -1, 远远小于大多数的MOFs材料(表1)。据报道, 目前MOFs材料中最大表面积已经达到了7000 m 2 \cdotg -1 [7] 。低压下CO 2 的捕获性能与骨架的孔径有关 [23], SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu孔径均小于0.4 nm, 稍大于CO 2 的动力学直径0.33 nm。因此可以预测, 一个孔道中只能容纳一个CO 2 分子, 而相对直径更大的分子如N 2 会被排斥在外, 从而使材料具有极高的CO 2 选择性。

表 1.
SIFSIX-X-Cu结构的孔隙结构物理特性

Table 1. Physical characteristics of SIFSIX-X-Cu

	V_P/(cm³·g^-1)	D/nm	Porosity, Φ/%	Surface area, A/(m²·g^-1)
SIFSIX-3-Cu	0.27	0.34	32.48	300
SIFSIX-2-Cu	0.40	0.52	35.70	735
SIFSIX-O-Cu	0.22	0.34	37.00	300

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2.2 单组份CO₂/N₂吸附

图2 (a)为298 K温度下单组分CO 2 在三种结构中的吸附等温线。可以看出, SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中CO 2 在0.5 kPa下就达到吸附饱和。二者在1 kPa的饱和吸附量分别为2.70与2.39 mmol\cdotg -1, 超过了之前报道的先进的MOFs材料Mg-MOF-74(1.27 mmol\cdotg -1) [5] 。相对来说, SIFSIX-2-Cu中CO 2 的吸附在5 kPa时仍未饱和, 但在较低的压强下吸附量较少。 图2 (b)展示了N 2 在298 K温度下的吸附等温线。在此压强范围内, N 2 的吸附量在三种结构中一直处于增长状态, 只是SIFSIX-2-Cu结构中N 2 的吸附量增加的较为缓慢。相比于CO 2, N 2 的吸附量明显较少, 尤其是在SIFSIX-2-Cu结构中, 在压强达到5 kPa时, 吸附量仍低于0.02 mmol\cdotg -1 。同CO 2 的吸附行为一致, SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu两种结构中的N 2 的吸附等温线较为接近, 吸附量均高于SIFSIX-2-Cu。此外, N 2 在SIFSIX-O-Cu中的吸附量略低于在SIFSIX-3-Cu中的吸附量。综合分析, CO 2 和N 2 在SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu两种结构中的吸附行为较为相似, 吸附特性都好于SIFSIX-2-Cu结构。

图 2. 298 K下SIFSIX-X-Cu中CO₂ (a)和N₂ (b)的吸附等温线

Fig. 2. Adsorption isotherms of CO₂ (a) and N₂ (b) in SIFSIX-X-Cu at 298 K

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2.3 混合气体CO₂/N₂的竞争吸附行为

图3 为298 K温度下三种结构中单组分气体与混合气体中CO 2 和N 2 的吸附曲线对比图。从曲线中可以发现, 相比单组分的吸附, SIFSIX-2-Cu结构内混合气体中CO 2 的吸附量有一定程度的下降。这是由于N 2 的竞争作用, 影响了骨架对CO 2 的吸附。然而, SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu内混合气体中CO 2 的吸附量与单组分的CO 2 吸附量相比差别不大, 说明N 2 的存在对CO 2 的吸附影响可以忽略。相比于SIFSIX-3-Cu, SIFSIX-O-Cu受N 2 的影响更小, 与单组分吸附时基本没有区别。此外, 无论是单组分还是混合组分, N 2 在三种结构中的吸附量几乎为零。这是因为具有较强电四极矩的CO 2 与骨架的相互作用远大于较弱电四极矩的N 2 与骨架的相互作用 [4] 。综上, 三种结构中选择性的顺序为SIFSIX-3-Cu \approx SIFSIX-O-Cu > SIFSIX-2-Cu。

298 K下(a)SIFSIX-3-Cu, (b)SIFSIX-2-Cu, (c)SIFSIX-O-Cu中CO2/N2单组份与混合组份的吸附等温线

图 3. 298 K下(a)SIFSIX-3-Cu, (b)SIFSIX-2-Cu, (c)SIFSIX-O-Cu中CO₂/N₂单组份与混合组份的吸附等温线

Fig. 3. Adsorption isotherms of single component and mixture of CO₂/N₂ in (a) SIFSIX-3-Cu, (b) SIFSIX-2-Cu, and (c) SIFSIX-O-Cu at 298 K

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2.4 SIFSIX-X-Cu中CO₂/N₂吸附与分离特性的机理分析

为了进一步探究SIFSIX-X-Cu中CO 2 /N 2 吸附与分离的内在机理, 本工作探究了吸附热(Q st), 吸附构型与径向分布函数g(r)。

图4 展示了CO 2 和N 2 在298 K温度下三种结构中的吸附热。可见SIFSIX-2-Cu中CO 2 的吸附热约为44 kJ\cdotmol -1, 处于CO 2 能够完全可逆吸脱附的范围内(30~50 kJ\cdotmol -1) [24] 。CO 2 在SIFSIX-3-Cu的吸附热为59 kJ\cdotmol -1, 在323 K下真空或者N 2 气氛中仍能完全脱附 [5] 。SIFSIX-O-Cu中CO 2 的吸附热为66 kJ\cdotmol -1, 数值较大, 考虑到骨架与CO 2 的强相互作用来源于合适的孔径及孔环境 [5], 可以预测SIFSIX-O-Cu中CO 2 的脱附条件会比较温和。进一步分析发现, 随着CO 2 吸附量的增加, 吸附热并没有明显的下降, 一直保持平稳的状态, 可以看出, 三种结构展现了在整个CO 2 吸附范围内均匀的结合位点, CO 2 分子与骨架间的相互作用极强, 而且在较大的范围内仍保持很高的作用力。低压下气体在固体吸附材料中的吸附能力主要取决于骨架与气体相互作用力的大小。由于CO 2 在SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中具有更高的吸附热, 与骨架间的相互作用力更大, 因此与SIFSIX-2-Cu相比, 它们在低压下表现出更大的CO 2 吸附量。与CO 2 相比, N 2 在三种结构中吸附热的大小顺序与CO 2 一致, SIFSIX-3-Cu、SIFSIX-2-Cu和SIFSIX-O-Cu中N 2 的吸附热分别为22、20和27 kJ\cdotmol -1 。CO 2 在三种结构中吸附热明显高于N 2, 表明骨架对CO 2 的作用力明显强于N 2, 因此在CO 2 /N 2 混合气体中表现出对CO 2 极高的选择性。

图 4. (a) CO₂与(b) N₂在SIFSIX-X-Cu中的吸附热

Fig. 4. Isosteric heat of (a) CO₂and (b) N₂ in SIFSIX-X-Cu

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图5 展示了CO 2 在SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu两种结构中的吸附位点, 从俯视图中可以发现, CO 2 分子近乎排列在孔道的中央, 而在侧视图中可以发现, CO 2 分子有序地接近竖直排列在孔道中, 分子之间接近平行状态。CO 2 中的C原子处在周围骨架的最近邻四个F原子所形成的平面上, 且处于中心处。这主要是因为CO 2 中的C原子带正电, 而F原子电负性很强, 由于两者之间的库仑相互作用使CO 2 分子处在这个位置, 且结构稳定, 与之前的研究结果类似 [25] 。不难发现, F原子所构成的平面中心是CO 2 的唯一吸附位, 这种单吸附位点的存在也解释了吸附热保持稳定的原因。

SIFSIX-3-Cu (a-俯视图, c-侧视图)和SIFSIX-O-Cu (b-俯视图, d-侧视图)中CO2的吸附位点

图 5. SIFSIX-3-Cu (a-俯视图, c-侧视图)和SIFSIX-O-Cu (b-俯视图, d-侧视图)中CO₂的吸附位点

Fig. 5. CO₂ adsorption sites in SIFSIX-3-Cu (a-top view, c-side view) and SIFSIX-O-Cu (b-top view, d-side view)

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CO 2 分子在骨架孔道中的最稳定吸附构型如 图6 所示。可以发现, DFT与GCMC对CO 2 的吸附构型的计算结果几乎一致, CO 2 处于孔道的中心位置, 这也证明了我们计算结果的合理性。CO 2 在SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中最稳定吸附的吸附能分别为-43.56与-51.70 kJ\cdotmol -1, 相比之下, SIFSIX-O-Cu与CO 2 有着更大的相互作用, 这与前面计算出的吸附热结果相一致, 同时进一步解释了低压下CO 2 在SIFSIX-O-Cu中更快达到饱和吸附、选择性也更好的原因。

(a) SIFSIX-3-Cu和(b) SIFSIX-O-Cu中CO2的最稳定吸附位点

图 6. (a) SIFSIX-3-Cu和(b) SIFSIX-O-Cu中CO₂的最稳定吸附位点

Fig. 6. The most stable CO₂ adsorption sites in (a) SIFSIX-3-Cu and (b) SIFSIX-O-Cu

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图7 展示了CO 2 中的C原子在骨架中的Si原子附近分布的径向分布函数, 反映了CO 2 在孔道中的分布情况。可以看出SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中CO 2 绝大多数分布在距离Si原子0.44~0.55 nm的位置。考虑到这两种结构的孔道结构结合 图6 的最稳定吸附构型图, CO 2 分子与最近邻的4个Si原子之间的距离基本一致, 这也说明CO 2 近乎处于孔道的中心。而在SIFSIX-2-Cu中, CO 2 除了在0.44~0.55 nm处分布较多外, 还在0.6~0.7 nm之间有较多的分布, 这与其贯通结构有关, SIFSIX-2-Cu中的贯通结构造成了骨架结构的相互交错, 骨架中Si原子也是相互交错排列的, 因此, CO 2 在骨架中Si周围也出现了多个分布位点。

图 7. CO₂与骨架Si原子之间的径向分布函数

Fig. 7. Radial distribution functions of CO₂ around Si atoms in frameworks

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3 结论

本工作通过GCMC研究了温度为298 K、压强在0~5 kPa范围内CO 2 /N 2 在三种SIFSIX-X-Cu型混合超微孔材料中吸附与分离的行为, 分析了材料的孔隙拓扑结构与形态、吸附热、吸附位点及径向分布函数, 并且应用DFT优化了CO 2 的吸附构型。研究结果显示: 对于单组份的吸附, 相比于SIFSIX-2-Cu, 在SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中CO 2 在极低的压强下具有极高的吸附量, 在1 kPa时吸附量分别达到了2.70与2.39 mmol\cdotg -1, 而N 2 的吸附量很少。CO 2 /N 2 混合组分气体的吸附相比于单组分CO 2 吸附而言, N 2 的存在使得CO 2 在SIFSIX-2-Cu中的吸附量有所下降, 但CO 2 在SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu中的吸附几乎没有受到影响。通过分析, 可以得出SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu结构具有接近于CO 2 动力学直径的孔径, 对于相对较大的N 2 分子有排斥作用。SIFSIX-X-Cu具有极高且稳定的CO 2 吸附热, 而DFT计算的CO 2 吸附能结果也说明CO 2 分子与骨架之间有极高的相互作用能力, 通过其吸附构型本研究得出SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu两种结构中一个孔只吸附一个CO 2 分子。本工作凸显了SIFSIX-X-Cu型混合超微孔材料尤其是SIFSIX-3-Cu和SIFSIX-O-Cu在低压下吸附分离CO 2 的重要应用前景, 为CCS工业提供了一种有效的吸附剂。

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2.3 混合气体CO₂/N₂的竞争吸附行为

2.4 SIFSIX-X-Cu中CO₂/N₂吸附与分离特性的机理分析

3 结论

鲁效庆, 王茂槐. 混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究[J]. 无机材料学报, 2020, 35(4): 469. Xiaoqing LU, Maohuai WANG. Theoretical Investigation on Adsorption and Separation of CO₂/N₂ in Hybrid Ultramicroporous Materials[J]. Journal of Inorganic Materials, 2020, 35(4): 469.

混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究

1 模型与方法

图 1. (a) SIFSIX-3-Cu、(b) SIFSIX-2-Cu和(c) SIFSIX-O-Cu的SIFSIX-X-Cu结构

Fig. 1. Structures of SIFSIX-X-Cu: (a) SIFSIX-3-Cu; (b) SIFSIX-2-Cu; (c) SIFSIX-O-Cu

2 结果与讨论

2.1 孔隙拓扑结构

表 1.
SIFSIX-X-Cu结构的孔隙结构物理特性

Table 1. Physical characteristics of SIFSIX-X-Cu

2.2 单组份CO₂/N₂吸附

图 2. 298 K下SIFSIX-X-Cu中CO₂ (a)和N₂ (b)的吸附等温线

Fig. 2. Adsorption isotherms of CO₂ (a) and N₂ (b) in SIFSIX-X-Cu at 298 K

2.3 混合气体CO₂/N₂的竞争吸附行为

图 3. 298 K下(a)SIFSIX-3-Cu, (b)SIFSIX-2-Cu, (c)SIFSIX-O-Cu中CO₂/N₂单组份与混合组份的吸附等温线

Fig. 3. Adsorption isotherms of single component and mixture of CO₂/N₂ in (a) SIFSIX-3-Cu, (b) SIFSIX-2-Cu, and (c) SIFSIX-O-Cu at 298 K

2.4 SIFSIX-X-Cu中CO₂/N₂吸附与分离特性的机理分析

图 4. (a) CO₂与(b) N₂在SIFSIX-X-Cu中的吸附热

Fig. 4. Isosteric heat of (a) CO₂and (b) N₂ in SIFSIX-X-Cu

图 5. SIFSIX-3-Cu (a-俯视图, c-侧视图)和SIFSIX-O-Cu (b-俯视图, d-侧视图)中CO₂的吸附位点

Fig. 5. CO₂ adsorption sites in SIFSIX-3-Cu (a-top view, c-side view) and SIFSIX-O-Cu (b-top view, d-side view)

图 6. (a) SIFSIX-3-Cu和(b) SIFSIX-O-Cu中CO₂的最稳定吸附位点

Fig. 6. The most stable CO₂ adsorption sites in (a) SIFSIX-3-Cu and (b) SIFSIX-O-Cu

图 7. CO₂与骨架Si原子之间的径向分布函数

Fig. 7. Radial distribution functions of CO₂ around Si atoms in frameworks

3 结论

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混合超微孔材料中CO2/N2吸附与分离的理论研究

1 模型与方法

图 1. (a) SIFSIX-3-Cu、(b) SIFSIX-2-Cu和(c) SIFSIX-O-Cu的SIFSIX-X-Cu结构

Fig. 1. Structures of SIFSIX-X-Cu: (a) SIFSIX-3-Cu; (b) SIFSIX-2-Cu; (c) SIFSIX-O-Cu

2 结果与讨论

2.1 孔隙拓扑结构

表 1. SIFSIX-X-Cu结构的孔隙结构物理特性

Table 1. Physical characteristics of SIFSIX-X-Cu

2.2 单组份CO2/N2吸附

图 2. 298 K下SIFSIX-X-Cu中CO2 (a)和N2 (b)的吸附等温线

Fig. 2. Adsorption isotherms of CO2 (a) and N2 (b) in SIFSIX-X-Cu at 298 K

2.3 混合气体CO2/N2的竞争吸附行为

图 3. 298 K下(a)SIFSIX-3-Cu, (b)SIFSIX-2-Cu, (c)SIFSIX-O-Cu中CO2/N2单组份与混合组份的吸附等温线

Fig. 3. Adsorption isotherms of single component and mixture of CO2/N2 in (a) SIFSIX-3-Cu, (b) SIFSIX-2-Cu, and (c) SIFSIX-O-Cu at 298 K

2.4 SIFSIX-X-Cu中CO2/N2吸附与分离特性的机理分析

图 4. (a) CO2与(b) N2在SIFSIX-X-Cu中的吸附热

Fig. 4. Isosteric heat of (a) CO2 and (b) N2 in SIFSIX-X-Cu

图 5. SIFSIX-3-Cu (a-俯视图, c-侧视图)和SIFSIX-O-Cu (b-俯视图, d-侧视图)中CO2的吸附位点

Fig. 5. CO2 adsorption sites in SIFSIX-3-Cu (a-top view, c-side view) and SIFSIX-O-Cu (b-top view, d-side view)

图 6. (a) SIFSIX-3-Cu和(b) SIFSIX-O-Cu中CO2的最稳定吸附位点

Fig. 6. The most stable CO2 adsorption sites in (a) SIFSIX-3-Cu and (b) SIFSIX-O-Cu

图 7. CO2与骨架Si原子之间的径向分布函数

Fig. 7. Radial distribution functions of CO2 around Si atoms in frameworks

3 结论

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表 1.
SIFSIX-X-Cu结构的孔隙结构物理特性

2.2 单组份CO₂/N₂吸附

图 2. 298 K下SIFSIX-X-Cu中CO₂ (a)和N₂ (b)的吸附等温线

Fig. 2. Adsorption isotherms of CO₂ (a) and N₂ (b) in SIFSIX-X-Cu at 298 K

2.3 混合气体CO₂/N₂的竞争吸附行为

图 3. 298 K下(a)SIFSIX-3-Cu, (b)SIFSIX-2-Cu, (c)SIFSIX-O-Cu中CO₂/N₂单组份与混合组份的吸附等温线

Fig. 3. Adsorption isotherms of single component and mixture of CO₂/N₂ in (a) SIFSIX-3-Cu, (b) SIFSIX-2-Cu, and (c) SIFSIX-O-Cu at 298 K

2.4 SIFSIX-X-Cu中CO₂/N₂吸附与分离特性的机理分析

图 4. (a) CO₂与(b) N₂在SIFSIX-X-Cu中的吸附热

Fig. 4. Isosteric heat of (a) CO₂and (b) N₂ in SIFSIX-X-Cu

图 5. SIFSIX-3-Cu (a-俯视图, c-侧视图)和SIFSIX-O-Cu (b-俯视图, d-侧视图)中CO₂的吸附位点

Fig. 5. CO₂ adsorption sites in SIFSIX-3-Cu (a-top view, c-side view) and SIFSIX-O-Cu (b-top view, d-side view)

图 6. (a) SIFSIX-3-Cu和(b) SIFSIX-O-Cu中CO₂的最稳定吸附位点

Fig. 6. The most stable CO₂ adsorption sites in (a) SIFSIX-3-Cu and (b) SIFSIX-O-Cu

图 7. CO₂与骨架Si原子之间的径向分布函数

Fig. 7. Radial distribution functions of CO₂ around Si atoms in frameworks