Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN TRƯƠNG MỸ DUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ TÁCH LỌC KHÍ HYDROGEN CỦA VẬT LIỆU Co3NDC3DABCO BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN TRƯƠNG MỸ DUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ TÁCH LỌC KHÍ HYDROGEN CỦA VẬT LIỆU Co3(NDC)3(DABCO) BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ĐỀ ÁN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Bình Định – Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN TRƯƠNG MỸ DUYÊN NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ TÁCH LỌC KHÍ HYDROGEN CỦA VẬT LIỆU Co3(NDC)3(DABCO) BẰNG PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Người hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ XUÂN HUYNH i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định Tác giả đề án Chữ ký Nguyễn Trương Mỹ Duyên ii LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cảm ơn cô Nguyễn Thị Xuân Huynh – người trực tiếp hướng dẫn, tận tình giúp đỡ em trong quá trình làm đề án Bước đầu, em còn gặp nhiều khó khăn vì lĩnh vực này khá mới, nhưng nhờ sự giảng dạy tận tâm của cô mà em đã từng bước hiểu, giải quyết được và hoàn thành đề án tốt nghiệp Trong quá trình làm đề án, còn có sự hỗ trợ, giúp đỡ từ các bạn trong nhóm nghiên cứu của cô, xin chân thành cảm ơn các bạn Bên cạnh đó, em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Bộ môn Vật lý - Khoa học vật liệu thuộc Khoa Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức khoa học bổ ích và những kinh nghiệm nghiên cứu trong quá trình em học tập Em cũng xin cảm ơn quý thầy cô Phòng Hóa tính toán và Mô phỏng – Trường Đại học Quy Nhơn đã tạo điều kiện cho em sử dụng hệ máy để thực hiện đề tài nghiên cứu tại trường Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới tất cả bạn bè và gia đình những người luôn ủng hộ, động viên, khuyến khích và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho em trong quá trình thực hiện và hoàn thành đề án này Em xin chân thành cảm ơn! Quy Nhơn, ngày 20 tháng 10 năm 2023 Học viên Nguyễn Trương Mỹ Duyên iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 4 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 5 4 Phương pháp nghiên cứu .5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 7 1.1 Tổng quan về vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs 7 1.2 Tính chất của vật liệu MOFs 9 1.2.1 Độ ổn định nhiệt của MOFs 9 1.2.2 Độ xốp cao và diện tích bề mặt riêng lớn 10 1.2.3 Độ bền hoá học và độ bền trong nước 12 1.3 Các phương pháp tổng hợp vật liệu MOFs 12 1.3.1 Phương pháp nhiệt dung môi 13 1.3.2 Phương pháp vi sóng 14 1.3.3 Phương pháp siêu âm 14 1.4 Ứng dụng của vật liệu MOFs 14 1.4.1 Lưu trữ khí cung cấp năng lượng 15 1.4.2 Làm chất hấp phụ và tách lọc khí 16 1.4.3 Trong kỹ thuật xúc tác 17 1.4.4 Khả năng phát quang 18 1.4.5 Thiết bị cảm biến 19 1.5 Tổng quan về Co3(NDC)3(DABCO) .19 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN 21 2.1 Phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ 21 2.1.1 Phương trình Schrödinger cho hệ vật liệu 21 2.1.2 Các định lý Hohenberg – Kohn và điều kiện ràng buộc Levy 23 2.1.3 Phương trình Kohn – Sham 25 2.1.4 Định lý Hellmann – Feynman 27 iv 2.1.5 Hàm năng lượng trao đổi – tương quan 28 2.1.6 Các tập cở sở 29 2.1.7 Phương pháp giả thế 30 2.1.8 Chi tiết tính toán 32 2.2 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn .32 2.2.1 Lịch sử phát triển 32 2.2.2 Phương pháp mô phỏng GCMC 33 2.2.3 Các bước thực hiện trong mô phỏng GCMC 34 2.2.4 Chi tiết tính toán 36 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 40 3.1 Tối ưu cấu trúc và chọn thông số mô phỏng 40 3.2 Nhiệt hấp phụ của khí trên cấu trúc Co3(NDC)3(DABCO) 42 3.3 Nghiên cứu khả năng lưu trữ khí H2 trong Co3(NDC)3(DABCO) 43 3.4 Nghiên cứu khả năng bắt giữ khí thải CO trong Co3(NDC)3(DABCO).49 3.5 Nghiên cứu khả năng đồng hấp phụ và tách lọc khí trong Co3(NDC)3(DABCO) 51 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 57 1 Kết luận 57 2 Kiến nghị .58 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 59 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 60 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt DABCO 1,4- 1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane diazabicyclo[2.2.2]octane DFT Density Functional Theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ DMF Dimethylfomamide Dimethylfomamide GCMC Grand Canonical Monte Phương pháp Monte Carlo Carlo chính tắc lớn GGA Generalized Gradient Xấp xỉ Gradient suy rộng Approximation HKUST Hong Kong university of Vật liệu xuất xứ từ Đại học Science and Technology Khoa học và Công nghệ Hồng Kông IRMOF Isoreticular Metal-Organic Vật liệu khung hữu cơ kim Framework loại Isoreticular LDA Local Density Xấp xỉ mật độ định xứ Approximation LJ Lennard-Jones Tương tác Lennard-Jones Materials of Institut Vật liệu xuất xứ từ viện MIL Lavoisier Lavoisier MOF Metal - Organic Framework Vật liệu khung hữu cơ kim loại NDC 2,6-naphthalene 2,6-naphthalene dicarboxylate dicarboxylate vi Standard Temperature and Nhiệt độ và áp suất tiêu STP chuẩn Pressure Lý thuyết phiếm hàm mật độ có hiệu chỉnh tương tác van vdW-DF van der Waals Density der Waals Functional vii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1 Thành phần các khí thu được trong phương pháp tạo ra H2 từ hydrocarbon theo phương pháp truyền thống.3 3 Bảng 2.1 Các thông số LJ và thông số điện tích riêng phần cho từng loại nguyên tử khác nhau của Co-MOF và phân tử khí H2, CO 37 Bảng 3.1 Dung lượng và dung tích hấp phụ H2 trên Co3(NDC)3(DABCO) so sánh với một số kết quả nghiên cứu mô phỏng [MP] khác và thực nghiệm [TN] khác 47 Bảng 3.2 Dung lượng hấp phụ khí CO trên Co3(NDC)3(DABCO) ở nhiệt độ 298 K và so sánh với một số kết quả nghiên cứu khác 50 Bảng 3.3 Độ tách lọc khí CO/H2 và H2/CO tại 298 K, áp suất 1 bar và 50 bar của Co3(NDC)3(DABCO) 56 viii DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Cấu trúc và thành phần cơ bản của MOF.14 8 Hình 1.2 Một số cầu nối hữu cơ thường dùng để tổng hợp MOF.15 9 Hình 1.3 Một số cụm kim loại thường được sử dụng trong cấu trúc MOF.16 9 Hình 1.4 Kích thước các lỗ trống thay đổi khi thay đổi cầu nối.19 10 Hình 1.5 Diện tích bề mặt của các mảnh graphite:20 (a) Mảnh graphene từ cấu trúc graphite; (b) Chuỗi poly liên kết ở vị trí para của mảnh graphite; (c) Liên kết ở vị trí 1, 3, 5 của vòng; (d) Diện tích bề mặt tối đa 11 Hình 1.6 (a) Cấu trúc MOF-74;34 (b) Cấu trúc MOF-177.35 16 Hình 1.7 Khả năng lưu trữ khí CO2 của MOF-177 17 Hình 1.8 Ví dụ một số cầu nối phát quang: (a) 3-D Zn4O(SDC)3; (b) 2-D Zn3(SDC)3(DMF)2; (c) 2-DCd3(SDC)3(DMF)2; (d) 2-D Mn3(SDC)3(DMF)2.42 18 Hình 1.9 Hình chiếu tinh thể của ô đơn vị Co3(NDC)3(DABCO) theo ba trục a, b, c (Co: xanh dương, O: đỏ, C: xám, H: trắng, N: xanh nhạt).44 19 Hình 2.1 Hàm sóng sử dụng giả thế so với hàm sóng thật.56 31 Hình 3.1 Hình chiếu tinh thể của ô cơ sở Co3(NDC)3(DABCO) dọc theo trục các trục 40 Hình 3.2 Hộp mô phỏng đã được lặp lên 3×3×3 lần ô cơ sở 41 Hình 3.3 Xác định bán kính cắt vdW dựa vào lượng hấp phụ H2 trong Co3(NDC)3(DABCO) ở áp suất 1 bar 42 Hình 3.4 Nhiệt hấp phụ giữa khí H2 và CO trong Co3(NDC)3(DABCO) ở nhiệt độ 77 K và 298 K 43 Hình 3.5 Đường đẳng nhiệt hấp phụ H2 của Co3(NDC)3(DABCO) ở nhiệt độ 77 K: (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo dung lượng; (b) Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo dung tích 44 Hình 3.6 Đường đẳng nhiệt hấp phụ H2 của Co3(NDC)3(DABCO) ở nhiệt độ 298 K: (a) Đường đẳng nhiệt hấp phụ theo dung lượng; (b) Đường đẳng nhiệt