Nghiên cứu khả năng hấp thụ và tách lọc khí co2 và h2 của vật liệu mil 53 bằng phương pháp mô phỏng monte carlo

Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN THỊ DIỄM THANH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ TÁCH LỌC KHÍ CO2 VÀ H2 CỦA VẬT LIỆU MIL-53 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO

iii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN THỊ DIỄM THANH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ TÁCH LỌC KHÍ CO2 VÀ H2 CỦA VẬT LIỆU MIL-53 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO ĐỀ ÁN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Bình Định – Năm 2023 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN TRẦN THỊ DIỄM THANH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG HẤP PHỤ VÀ TÁCH LỌC KHÍ CO2 VÀ H2 CỦA VẬT LIỆU MIL-53 BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG MONTE CARLO Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Giảng viên 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 đề 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 Trần Thị Diễm Thanh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến cô Nguyễn Thị Xuân Huynh – người đã tận tâm và hết lòng giúp đỡ em trong suốt quá trình làm đề án này Sử dụng phương pháp mô phỏng để thực hiện nghiên cứu khoa học là một lĩnh vực vô cùng mới và khó khăn nhiều đối với em, nhưng qua sự giảng dạy và hướng dẫn của cô, em đã có thể từng bước giải quyết các vấn đề và hoàn thành đề án Em cũng xin chân thành cảm ơn quý thầy cô Khoa Khoa học Tự nhiên đã giúp đỡ và truyền đạt những kiến thức khoa học bổ ích và những kinh nghiệm nghiên cứu quý báu cho em 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, em xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn đồng hành, ủng hộ và tạo động lực để em tiếp bước trên con đường nâng cao kiến thức Em xin chân thành cảm ơn! Quy Nhơn, ngày tháng năm 2023 Người viết Trần Thị Diễm Thanh iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 4 3 Mục đích nghiên cứu 6 4 Phương pháp nghiên cứu 7 5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 7 CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 8 1.1 Tổng quan vật liệu khung hữu cơ kim loại 8 1.2 Sự ra đời, phát triển và phương pháp tổng hợp vật liệu MIL-53 10 1.2.1 Sự ra đời, phát triển của vật liệu MIL-53 10 1.2.2 Tổng hợp vật liệu MIL-53 12 1.3 Ứng dụng của vật liệu MIL-53 14 1.3.1 Ứng dụng hấp phụ khí của vật liệu MIL-53 đối với khí tiềm năng trong lĩnh vực tách khí 14 1.3.2 Ứng dụng hấp phụ khí của vật liệu MIL-53 đối với khí chất hữu cơ, thuốc nhuộm và kim loại nặng 18 1.3.3 Ứng dụng cảm biến khí của vật liệu MIL-53 19 1.3.4 Ứng dụng vận chuyển thuốc của vật liệu MIL-53 19 CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 21 2.1 Giới thiệu phương pháp mô phỏng 21 2.1.1 Phép tính hóa thế 22 2.1.2 Các bước thực hiện trong mô phỏng GCMC trong nghiên cứu hấp phụ khí 23 2.1.3 Gói phần mềm RASPA 25 iv 2.2 Chi tiết tính toán 26 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 31 3.1 Khả năng lưu trữ khí hydrogen của vật liệu MIL-53 31 3.2 Khả năng bắt giữ khí CO2 của vật liệu MIL-53(Cr) 36 3.3 Khả năng tách lọc khí CO2/H2 40 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 45 DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 47 DANH MỤC TÀI LIỆU KHAM THẢO 48 v DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT VIẾT TẮT TIẾNG ANH TIẾNG VIỆT DFT Density Functional Theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ GCMC Grand Canonical Monte Phương pháp Monte Carlo chính HKUST Carlo tắc lớn LJ Hong Kong university of Vật liệu xuất xứ từ Đại học Khoa MOF MIL Science and Technology học và Công Nghệ Hồng Kông MD Lennard- Jones Tương tác Lennard –Jones MC NOAA Metal Organic Framework Vật liệu khung hữu cơ kim loại STP Materials of Institut Vật liệu xuất xứ từ viện Lavoisier SSA Lavoisier vdW- DF Molecular Dynamics Mô phỏng động lực phân tử Monte Carlo Mô phỏng Monte Carlo National Oceantic and Cơ quan Quản lý khí quyển và Đại Atmospheric dương quốc gia Mỹ Standard Temperature and Nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn Pressure Specific Surface Area Diện tích bề mặt riêng van der Waals Density Lý thuyết phiếm hàm mật độ có Functional hiệu chỉnh tương tác van der Waals vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Biểu đồ chỉ ra lượng mật độ CO2 trong khí quyển hàng tháng, được quan sát ở đài thiên văn Mauna Loa, Hawaii.2 2 Hình 2 Dữ liệu nhiệt độ trung bình toàn cầu của các nguồn khác nhau, gồm NASA, NOAA, Berkeley Earth, và cơ quan khí tượng của Anh và Japan.5 3 Hình 3 Một số vật liệu MOFs điển hình đã được tổng hợp.23 6 Hình 4 Cấu trúc MIL-53 6 Hình 1.1 Mô hình cấu trúc của vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs.26 8 Hình 1.2 Các lĩnh vực ứng dụng phổ biến của vật liệu MOFs 9 Hình 1.3 Quá trình hydrat hóa và khử nước xảy ra trong MIL-53 (Al, Cr) Trong đó, 11 Hình 1.4 Mô tả sự phát triển thể tích tế bào ở các dạng khác nhau của MIL-53.3511 Hình 1.5 Sự kết hợp của khối kim loại xuyên chuỗi bát diện vô hạn và chất liên kết ditopic.36 13 Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của MIL-53 (Fe) với hình ảnh dọc theo chuỗi khối bát diện FeO6.37 14 Hình 1.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ khí CO2 , CH4 , CO, N2 , O2 và Ar của MIL- 53(Al) ở: (a) 303 K, áp suất lên tới 860 mmHg, (b) 288 K, áp suất lên tới 860 mmHg.22 16 Hình 1.8 Sự thay đổi cấu trúc của MIL-53(Cr) ở các nhiệt độ khác nhau: (a) 100 K, (b) 293 K, (c) 623 K.21 17 Hình 1 9 Sự hấp phụ đẳng nhiệt của CH4 trên MIL-53 ở các nhiệt độ khác nhau: (a) 100 K, (b) 293 K, (c) 623 K 21 17 Hình 2.1 Hộp mô phỏng GCMC của MIL-53(Cr) Trong đó, các nguyên tử được mô hình bởi các quả cầu xanh (Cr), đỏ (O), nâu (C) và trắng hồng (H) 27 Hình 2.2 Vị trí mô tả tương tác cho các nguyên tử MIL-53 29 Hình 3.1 Ô cơ sở của MIL-53(Cr) Trong đó, các nguyên tử được mô hình bởi các quả cầu xanh (Cr), đỏ (O), nâu C) và trắng hồng (H) 31 Hình 3.2 Đường đẳng nhiệt hấp phụ H2 của MIL-53(Cr) ở 77K 32 vii Hình 3.3 Đường đẳng nhiệt hấp phụ H2 của MIL-53(Cr) ở 298 K 33 Hình 3.4 Nhiệt hấp phụ H2 của MIL-53(Cr) theo áp suất ở nhiệt độ 77 K và 298 K 35 Hình 3.5 Hình ảnh trực quan mật độ hấp phụ của H2 ở nhiệt độ 77 K 36 Hình 3.6 Hình ảnh trực quan mật độ hấp phụ của H2 ở nhiệt độ 298K 36 Hình 3.7 Đường đẳng nhiệt hấp phụ CO2 của MIL-53(Cr) ở 298 K 37 Hình 3.8 Đường đẳng nhiệt hấp phụ CO2 của MIL-53(Cr) theo khối lượng và áp suất ở nhiệt độ 298 K 39 Hình 3.9 Hình ảnh trực quan mật độ hấp phụ của CO2 ở nhiệt độ 298K 39 Hình 3.10 Khả năng chọn lọc CO2/H2 của MIL-53(Cr) đối với các tỉ lệ mol CO2/H2 khác nhau ở (a) 273 K, (b) 298 K, (c) 323 K, (d) 348 K 40 Hình 3.11 Độ chọn lọc CO2 so với H2 trong hỗn hợp khí trong MIL-53(Cr) ở nhiệt độ 273 K, 298 K, 323 K, 348 K 42 Hình 3.12 Khả năng chọn lọc CO2/H2 của MIL-53(Cr) đối với các tỉ lệ mol CO2/H2 khác nhau ở áp suất (a) 1 bar, (b) 50 bar 43 Hình 3.13 Ảnh chụp quá trình đồng hấp phụ của hỗn hợp CO2 và H2 trong MIL- 53(Cr) ứng với các tỉ lệ mol khác nhau 44 viii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 So sánh thể tích ô cơ sở của các dẫn xuất MIL-53 khác nhau.35 12 Bảng 1.2 So sánh khả năng hấp phụ khí lớn nhất và độ chọn lọc hấp phụ trong hỗn hợp khí cân bằng của MIL - 53(Al) và các vật liệu than hoạt tính.22 15 Bảng 1.3 Khả năng hấp phụ chọn lọc của MIL-53(Al) ở 303 K.22 16 Bảng 1.4 Khả năng hấp phụ của MIL-53 đối với các loại thuốc nhuộm khác nhau.33 18 Bảng 2.1 Các thông số mô tả trường lực tương tác cho các nguyên tử của MIL- 53(Cr) 29 Bảng 3.1 Dung lượng và dung tích hấp phụ H2 của vật liệu MIL-53(Cr) ở 77 K và 298 K và so sánh với một số kết quả nghiên cứu khác 33 Bảng 3.2 Dung lượng và dung tích hấp phụ CO2 của vật liệu MIL-53(Cr) ở 298 K và so sánh với một số kết quả nghiên cứu khác 38 Bảng 3.3 Độ chọn lọc cực đại của CO2/H2 trong hỗn hợp khí (CO2, H2) trong MIL- 53(Cr) ở nhiệt độ 273 K, 298 K, 323 K, 348 K 41