CH4, CO2和H2O在非金属原子修饰石墨烯表面的吸附

刘晓强 田之悦 储伟 薛英

引用本文: 刘晓强, 田之悦, 储伟, 薛英. CH4, CO2和H2O在非金属原子修饰石墨烯表面的吸附[J]. 物理化学学报, 2014, 30(2): 251-256. doi: 10.3866/PKU.WHXB201312243 shu
Citation:  LIU Xiao-Qiang, TIAN Zhi-Yue, CHU Wei, XUE Ying. CH4, CO2 and H2OAdsorption on Nonmetallic Atom-Decorated Graphene Surfaces[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2014, 30(2): 251-256. doi: 10.3866/PKU.WHXB201312243 shu

CH4, CO2和H2O在非金属原子修饰石墨烯表面的吸附

  • 基金项目:

    国家重点基础研究发展规划项目(973)(2011CB201202) (973)(2011CB201202)

    国家自然科学基金(21173151)资助 (21173151)

摘要:

煤层气(矿井瓦斯)是一种有望替代传统化石燃料,如煤、石油和天然气的非常规气体. 作为可得的清洁能源,它的利用被认为是节能和经济的选择. 在本工作中,非金属原子X(X=H,O,N,S,P,Si,F,Cl)修饰的石墨烯(Gr)被用来代表具有结构异性的煤表面模型. 通过密度泛函理论系统地研究了煤层气组分Y(Y=CH4,CO2,H2O)在非金属原子修饰石墨烯上的吸附作用. 结果表明Y在非金属原子修饰石墨烯上的吸附均为物理吸附. 态密度和差分电荷密度共同表明了这种弱的相互作用.其中,H和Cl对CH4的作用较大; N、O、F、Cl对CO2的作用较强; N,Cl对H2O的影响不容忽视. 总的来说,吸附能大小依次为:H2O>CO2>CH4. 因此,在CH4富集的煤层里注入H2O或CO2可以与CH4形成竞争吸附,进而提高煤层气采收率. 本工作提供了在分子水平下煤层气与非金属原子修饰石墨烯之间的相互作用的详情,并为煤层瓦斯的开采与分离提供了有用的信息.

English

    1. [1]

      (1) Boyer, C. M.; Bai, Q. Z. Int. J. Coal. Geol. 1998, 35, 349. doi: 10.1016/S0166-5162(97)00041-4

      (1) Boyer, C. M.; Bai, Q. Z. Int. J. Coal. Geol. 1998, 35, 349. doi: 10.1016/S0166-5162(97)00041-4

    2. [2]

      (2) Liang, B.; Sun,W.; Qi, Q.; Li, H. Int. J. Min. Sci. Technol. 2012,22, 891. doi: 10.1016/j.ijmst.2012.12.006(2) Liang, B.; Sun,W.; Qi, Q.; Li, H. Int. J. Min. Sci. Technol. 2012,22, 891. doi: 10.1016/j.ijmst.2012.12.006

    3. [3]

      (3) Chen, G.; Yang, J.; Liu, Z. Energy Fuels 2012, 26, 4583. doi: 10.1021/ef3001168(3) Chen, G.; Yang, J.; Liu, Z. Energy Fuels 2012, 26, 4583. doi: 10.1021/ef3001168

    4. [4]

      (4) Xie, H.; Zhao, X.; Liu, J.; Zhang, R.; Xue, D. Int. J. Min. Sci. Technol. 2012, 22, 749. doi: 10.1016/j.ijmst.2012.12.010(4) Xie, H.; Zhao, X.; Liu, J.; Zhang, R.; Xue, D. Int. J. Min. Sci. Technol. 2012, 22, 749. doi: 10.1016/j.ijmst.2012.12.010

    5. [5]

      (5) Jiang,W. P. China Coalbed Methane 2009, 6, 19. [降文萍. 中国煤层气, 2009, 6, 19.](5) Jiang,W. P. China Coalbed Methane 2009, 6, 19. [降文萍. 中国煤层气, 2009, 6, 19.]

    6. [6]

      (6) Liu, Y. Y.;Wilcox, J. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 809. doi: 10.1021/es102700c(6) Liu, Y. Y.;Wilcox, J. Environ. Sci. Technol. 2011, 45, 809. doi: 10.1021/es102700c

    7. [7]

      (7) Kowalczyk, P.; Gauden, P. A.; Terzyk, A. P.; Furmaniak, S.;Harris, P. J. F. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 13640. doi: 10.1021/jp302776z(7) Kowalczyk, P.; Gauden, P. A.; Terzyk, A. P.; Furmaniak, S.;Harris, P. J. F. J. Phys. Chem. C 2012, 116, 13640. doi: 10.1021/jp302776z

    8. [8]

      (8) Jiang, Q.; Chu,W.; Sun,W. J.; Liu, F. S.; Xue, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1101. [蒋倩, 储伟, 孙文晶,刘凤嗣, 薛英. 物理化学学报, 2012, 28, 1101.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201203054(8) Jiang, Q.; Chu,W.; Sun,W. J.; Liu, F. S.; Xue, Y. Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 1101. [蒋倩, 储伟, 孙文晶,刘凤嗣, 薛英. 物理化学学报, 2012, 28, 1101.] doi: 10.3866/PKU.WHXB201203054

    9. [9]

      (9) Li, S.; Tang, D.; Xu, H.; Yang, Z.; Guo, L. Energy Fuels 2012,26, 5005. doi: 10.1021/ef300432m(9) Li, S.; Tang, D.; Xu, H.; Yang, Z.; Guo, L. Energy Fuels 2012,26, 5005. doi: 10.1021/ef300432m

    10. [10]

      (10) Mathews, J. P.; Chaffee, A. L. Fuel 2012, 96, 1. doi: 10.1016/j.fuel.2011.11.025(10) Mathews, J. P.; Chaffee, A. L. Fuel 2012, 96, 1. doi: 10.1016/j.fuel.2011.11.025

    11. [11]

      (11) Vejahati, F.; Xu, Z.; Gupta, R. Fuel 2010, 89, 904. doi: 10.1016/j.fuel.2009.06.013(11) Vejahati, F.; Xu, Z.; Gupta, R. Fuel 2010, 89, 904. doi: 10.1016/j.fuel.2009.06.013

    12. [12]

      (12) Zhao, J.; Buldum, A.; Han, J.; Lu, J. P. Nanotechnology 2002,13, 195. doi: 10.1088/0957-4484/13/2/312(12) Zhao, J.; Buldum, A.; Han, J.; Lu, J. P. Nanotechnology 2002,13, 195. doi: 10.1088/0957-4484/13/2/312

    13. [13]

      (13) Liu, Y.;Wilcox, J. Environ. Sci. Technol. 2012, 47, 95.(13) Liu, Y.;Wilcox, J. Environ. Sci. Technol. 2012, 47, 95.

    14. [14]

      (14) Qiu, N. X.; Xue, Y.; Guo, Y.; Sun,W. J.; Chu,W. Comp. Theor. Chem. 2012, 992, 37. doi: 10.1016/j.comptc.2012.04.024(14) Qiu, N. X.; Xue, Y.; Guo, Y.; Sun,W. J.; Chu,W. Comp. Theor. Chem. 2012, 992, 37. doi: 10.1016/j.comptc.2012.04.024

    15. [15]

      (15) Mo, J. J.; Xue, Y.; Liu, X. Q.; Qiu, N. X.; Chu,W.; Xie, H. P.Surf. Sci. 2013, 616, 85. doi: 10.1016/j.susc.2013.05.009(15) Mo, J. J.; Xue, Y.; Liu, X. Q.; Qiu, N. X.; Chu,W.; Xie, H. P.Surf. Sci. 2013, 616, 85. doi: 10.1016/j.susc.2013.05.009

    16. [16]

      (16) Liu, X. Q.; Xue, Y.; Tian, Z. Y.; Mo, J. J.; Qiu, N. X.; Chu,W.Xie, H. P. App. Surf. Sci. 2013, 285P, 190.(16) Liu, X. Q.; Xue, Y.; Tian, Z. Y.; Mo, J. J.; Qiu, N. X.; Chu,W.Xie, H. P. App. Surf. Sci. 2013, 285P, 190.

    17. [17]

      (17) Qu, S.; Yang, J.; Liu, Z. Energy Fuels 2012, 26, 3928. doi: 10.1021/ef300123s(17) Qu, S.; Yang, J.; Liu, Z. Energy Fuels 2012, 26, 3928. doi: 10.1021/ef300123s

    18. [18]

      (18) Segall, M. D.; Lindan, P. J. D.; Probert, M. J.; Pickard, C. J.;Hasnip, P. J.; Clark, S. J.; Payne, M. C. J. Phys.: Condes. Matter 2002, 14, 2717. doi: 10.1088/0953-8984/14/11/301(18) Segall, M. D.; Lindan, P. J. D.; Probert, M. J.; Pickard, C. J.;Hasnip, P. J.; Clark, S. J.; Payne, M. C. J. Phys.: Condes. Matter 2002, 14, 2717. doi: 10.1088/0953-8984/14/11/301

    19. [19]

      (19) Ceperley, D. M.; Alder, B. J. Phys. Rev. Lett. 1980, 45, 566. doi: 10.1103/PhysRevLett.45.566(19) Ceperley, D. M.; Alder, B. J. Phys. Rev. Lett. 1980, 45, 566. doi: 10.1103/PhysRevLett.45.566

    20. [20]

      (20) Vanderbilt, D. Phys. Rev. B: Condes. Matter 1990, 41,7892. doi: 10.1103/PhysRevB.41.7892(20) Vanderbilt, D. Phys. Rev. B: Condes. Matter 1990, 41,7892. doi: 10.1103/PhysRevB.41.7892

    21. [21]

      (21) Monkhorst, H. J.; Pack, J. D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188. doi: 10.1103/PhysRevB.13.5188(21) Monkhorst, H. J.; Pack, J. D. Phys. Rev. B 1976, 13, 5188. doi: 10.1103/PhysRevB.13.5188

    22. [22]

      (22) Fujimoto, Y.; Saito, S. Phys. Rev. B 2011, 84, 245446.(22) Fujimoto, Y.; Saito, S. Phys. Rev. B 2011, 84, 245446.

    23. [23]

      (23) Nakada, K.; Ishii, A. Solid State Commun. 2011, 151, 13. doi: 10.1016/j.ssc.2010.10.036(23) Nakada, K.; Ishii, A. Solid State Commun. 2011, 151, 13. doi: 10.1016/j.ssc.2010.10.036

    24. [24]

      (24) Rubea, M.; Kysilka, J.; Nachtigall, P.; Bludsky, O. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 6438. doi: 10.1039/c001155j(24) Rubea, M.; Kysilka, J.; Nachtigall, P.; Bludsky, O. Phys. Chem. Chem. Phys. 2010, 12, 6438. doi: 10.1039/c001155j

    25. [25]

      (25) Vidali, G.; Ihm, G.; Kim, H. Y.; Cole, M.W. Surf. Sci. Rep.1991, 12, 135. doi: 10.1016/0167-5729(91)90012-M(25) Vidali, G.; Ihm, G.; Kim, H. Y.; Cole, M.W. Surf. Sci. Rep.1991, 12, 135. doi: 10.1016/0167-5729(91)90012-M

    26. [26]

      (26) Mohammad, S. A.; Gasem, K. A. M. Energy Fuels 2012, 26,557. doi: 10.1021/ef201422e(26) Mohammad, S. A.; Gasem, K. A. M. Energy Fuels 2012, 26,557. doi: 10.1021/ef201422e

    27. [27]

      (27) Firouzi, M.;Wilcox, J. Microporous Mesoporous Mat. 2012,158, 195. doi: 10.1016/j.micromeso.2012.02.045(27) Firouzi, M.;Wilcox, J. Microporous Mesoporous Mat. 2012,158, 195. doi: 10.1016/j.micromeso.2012.02.045

    28. [28]

      (28) Hu, H.; Li, X.; Fang, Z.;Wei, N.; Li, Q. Energy 2010, 35,2939. doi: 10.1016/j.energy.2010.03.028

      (28) Hu, H.; Li, X.; Fang, Z.;Wei, N.; Li, Q. Energy 2010, 35,2939. doi: 10.1016/j.energy.2010.03.028

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1224
  • 文章访问数:  1604
  • HTML全文浏览量:  68
文章相关
  • 发布日期:  2014-01-23
  • 收稿日期:  2013-11-04
  • 网络出版日期:  2013-12-24
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章