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eCH4, CO2和H2O在非金属原子修饰石墨烯表面的吸附
  • ISSN号:1000-6818
  • 期刊名称:《物理化学学报》
  • 时间:0
  • 分类:O641[理学—物理化学;理学—化学]
  • 作者机构:[1]四川大学化学学院,教育部绿色化学与技术重点实验室,成都610064, [2]四川大学化学工程学院,成都610065
  • 相关基金:国家重点基础研究发展规划项目(973)(2011B201202)和国家自然科学基金(21173151)资助
中文摘要:

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.

英文摘要:

As an unconventional gas, coalbed methane (CBM) is a desirable alternative energy source to conventional fossil fuels such as coal, oil, and natural gas. In this work, non-metallic atom X (X=H, O, N, S, P, Si, F, or CI)-decorated Gr (graphene) (X-Gr) was used to represent the surface models of coal with structural heterogeneity. Using density functional theory, the adsorption of the CBM component Y (Y=CH,, CO2, H2O) on X-Gr was systematically investigated. The results indicate that CH4, CO2, and H2O are weakly bound to X-Gr, and the interactions between the adsorbate and the surface can be described as physisorption, which was identified through the density of states and electronic density difference analysis. Furthermore, CH, has very large adsorption energies to H-and CI-decorated graphene. The dopants X, such as N, O, F, and CI, are very good adsorbents for CO2 and the influence of the dopants N and CI cannot be ignored for the adsorption of H2O. In general, the adsorption energies of H20 on X-Gr are larger than those of CO2, while CH, has the lowest adsorption energies, namely, the order of adsorption is H20〉 CO2〉CH,. Consequently, the injection of H20 or CO2 into methane-rich coal seams strongly enhances the CBM recovery efficiency via competitive adsorption with CH4 on the coal surface. The results provide a molecular-level insight into the interactions between CBM and X-Gr, and might offer useful information for recovery and purification of coalbed methane.

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期刊信息
  • 《物理化学学报》
  • 中国科技核心期刊
  • 主管单位:中国科学技术协会
  • 主办单位:北京大学化学与分子工程学院承办
  • 主编:刘忠范
  • 地址:北京大学化学楼
  • 邮编:100871
  • 邮箱:whxb@pku.edu.cn
  • 电话:010-62751724
  • 国际标准刊号:ISSN:1000-6818
  • 国内统一刊号:ISSN:11-1892/O6
  • 邮发代号:82-163
  • 获奖情况:
  • 中文核心期刊
  • 国内外数据库收录:
  • 俄罗斯文摘杂志,美国化学文摘(网络版),荷兰文摘与引文数据库,美国科学引文索引(扩展库),英国科学文摘数据库,日本日本科学技术振兴机构数据库,中国中国科技核心期刊,中国北大核心期刊(2004版),中国北大核心期刊(2008版),中国北大核心期刊(2011版),中国北大核心期刊(2014版),英国英国皇家化学学会文摘,中国北大核心期刊(2000版)
  • 被引量:24781