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

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

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

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

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

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

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

DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT

DFT Density Functional Theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ

GCMC Grand Canonical Monte

Carlo

Phương pháp Monte Carlo chính

tắc lớn HKUST Hong Kong university of

Science and Technology

Vật liệu xuất xứ từ Đại học Khoa

học và Công Nghệ Hồng Kông

MOF Metal Organic Framework Vật liệu khung hữu cơ kim loại MIL Materials of Institut

Lavoisier

Vật liệu xuất xứ từ viện Lavoisier

MD Molecular Dynamics Mô phỏng động lực phân tử

NOAA National Oceantic and

Nhiệt độ và áp suất tiêu chuẩn

SSA Specific Surface Area Diện tích bề mặt riêng

vdW- DF van der Waals Density

Functional

Lý thuyết phiếm hàm mật độ có hiệu chỉnh tương tác van der Waals

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-53.35 11 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

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

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 So sánh thể tích ô cơ sở của các dẫn xuất MIL-53 khác nhau.35 12Bảng 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 15Bảng 1.3 Khả năng hấp phụ chọn lọc của MIL-53(Al) ở 303 K.22 16Bảng 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) 29Bảng 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 33Bảng 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 38Bảng 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

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trên thế giới và ở Việt Nam hiện nay, nhu cầu năng lượng đang được đáp ứng phần lớn từ các nguồn năng lượng hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên, Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch là hữu hạn và việc khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng này tạo ra hiệu ứng nhà kính chiếm đến 3/4 lượng phát thải khí nhà kính trên toàn cầu và ở Việt Nam con số đó là khoảng 2/3.1 Tình trạng ấm lên toàn cầu đến nay đã gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng như những đợt sóng nhiệt, hạn hán, cháy rừng và lũ lụt chưa từng thấy Nhà khoa học Pieter Tans từ trạm quan sát toàn cầu cho rằng nồng độ carbon dioxide (CO2) trong khí quyển đang ở những mức cao chưa từng thấy Nguyên nhân chính gây ra tình trạng ấm lên toàn cầu là do con người gây ra, đặc biệt là thông qua các hoạt động sản xuất và sử dụng năng lượng ngày càng tăng dẫn đến việc khai thác tài nguyên thiên nhiên, nhất là nhiên liệu hóa thạch cho sản xuất điện ngày càng nhiều Hầu hết các đơn vị phát điện (như nhà máy nhiệt điện và tổ máy phát điện diesel), phương tiện vận tải (ô tô, tàu hỏa, tàu thủy, máy bay, ) là động cơ chính khiến cho nồng độ CO2 trong không khí tăng lên mức cao kỷ lục (Hình 1).1,2 Khí CO2 có thể tồn tại trong bầu khí quyển và các đại dương trong hàng nghìn năm Con người đã hiểu được từ hàng trăm năm nay rằng điều này sẽ xảy ra đối với cuộc sống của họ nhưng lại chưa bao giờ có hành động thực sự ý nghĩa để ngăn chặn triệt để điều này Cho đến bây giờ, kể cả khi thế giới dừng tất cả các hoạt động thải CO2 cũng phải mất hàng trăm năm nữa mật độ CO2 trong khí quyển mới có thể giảm một cách tự nhiên trở về trạng thái cân bằng

Điển hình nhất là vào năm 2020, năm đại dịch Covid-19, lúc này khi ít xe cộ đi lại hơn và một số ngành công nghiệp cũng ngừng hoạt động trong thời gian ngắn, lượng khí thải CO2 từ nhiên liệu hóa thạch đã giảm khoảng 6% nhưng điều này vẫn không ngăn được sự gia tăng mật độ CO2 trong khí quyển, vì lượng thải từ các hoạt động của con người lại vượt xa hơn Theo báo cáo của Cơ quan khí quyển và đại dương của Mỹ (NOAA - National Oceantic and Atmospheric) carbon dioxide (CO2) do hoạt

động của con người thải ra và là tác nhân góp phần gây ra biến đổi khí hậu trong năm

Tháng 5 năm 2022 là tháng ghi được nồng độ CO2 trong khí quyển cao nhất trong năm Trong tháng này, nồng độ chất ô nhiễm trong bầu khí quyển đã vượt ngưỡng 420 ppm trong khi đó năm 2021, chỉ số này là 419 ppm và năm 2020 là 417 ppm Các thông số này được ghi nhận tại trạm quan sát Mauna Loa ở Hawaii, nằm trên một núi lửa, một vị trí lý tưởng giúp các kết quả đo được không bị ảnh hưởng bởi tình trạng ô nhiễm tại địa phương Theo NOAA, thời kỳ cách mạng công nghiệp, nồng độ

CO2 trong khí quyển duy trì ổn định ở mức 280 ppm trong khoảng gần 6.000 năm tính đến giai đoạn công nghiệp hóa Nồng độ CO2 ngày nay tương ứng với những mức ghi nhận được trong khoảng từ 4,1 − 4,5 triệu năm trước khi nồng độ CO2 ở mức gần hoặc trên 400 ppm Theo báo cáo cho thấy, năm 2022 là năm thứ 11 liên tiếp CO2 tăng hơn

2 ppm, tốc độ tăng CO2 được duy trì cao nhất trong 65 năm kể từ khi bắt đầu quan trắc.3,4

Chúng ta có thể thấy sự biến đổi của Trái Đất liên kết với nhau rất phức tạp; vì vậy, ngay cả những thay đổi nhiệt độ nhỏ cũng có thể gây ra các tác động lớn như

băng tan, nước biển dâng, lượng mưa, hình thái thời tiết, bão lớn và các đợt nắng nóng cũng gia tăng Hình 2 cho thấy Trái Đất đang ấm lên và sự nóng lên này chủ yếu là do hoạt động của con người gây ra

Để giảm ô nhiễm môi trường, các nhà nghiên cứu đưa ra rất nhiều đối sách, chọn sử dụng hydrogen (H2) làm nhiên liệu là một trong số các đối sách đó Hydrogen là nguồn năng lượng sạch và góp phần quan trọng vào việc đảm bảo an toàn và lâu dài cho nguồn năng lượng, được sản xuất từ nhiều nguồn sẵn có khác nhau như gió, mặt trời, sinh khối, giúp giải quyết được nhiều vấn đề khác nhau của đời sống, nhất là trong một số ngành như giao thông vận tải, hóa chất, luyện kim…

và là giải pháp không thể thiếu trong chuyển dịch năng lượng và cắt giảm phát thải khí nhà kính Hiện tại, H2 đang được sử dụng làm nhiên liệu thay thế cho các động

cơ trong các loại phương tiện giao thông đang chạy bằng nhiên liệu hóa thạch Hydrogen cũng có thể thay thế khí thiên nhiên để cung cấp năng lượng cho các nhu cầu dân dụng hàng ngày như đun nấu, sưởi ấm, chiếu sáng… Bên cạnh đó, H2 còn được sử dụng làm nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống pin nhiên liệu, nhờ quá trình điện hóa để tạo ra điện năng Hơn nữa, nhờ dựa vào cơ chế của quá trình điện hóa tạo ra điện năng chứ không phải quá trình đốt như ở động cơ đốt trong, pin nhiên

liệu còn đạt hiệu suất sử dụng cao hơn nhiều so với động cơ đốt trong, vì thế mà tiết kiệm năng lượng hơn Với những ưu thế vượt trội đó, pin nhiên liệu đang ngày càng được quan tâm và sẽ là nguồn năng lượng đầy triển vọng, giữ vai trò chủ đạo của nền kinh tế không phát thải khí nhà kính trong tương lai.6

Vì vậy, trong bối cảnh biến đổi khí hậu đang có những diễn biến phức tạp, ảnh hưởng đến toàn thế giới, việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới để thay thế năng lượng hóa thạch (than, dầu mỏ…) cũng như tìm ra một biện pháp để bắt giữ, giảm tải và xử lý khí thải hết sức quan trọng và cấp bách nhằm ngăn chặn sự biến đổi khí hậu ngày càng trầm trọng hơn đã và đang là mối quan tâm của nhiều quốc gia cũng như các nhà khoa học trên thế giới.7 Với những ưu thế vượt trội, nguồn năng lượng

H2 đang được xem là giải pháp thay thế tối ưu nhất lúc bấy giờ

Lúc bấy giờ, vật liệu khung hữu cơ kim loại (viết tắt là MOFs từ cụm từ metal

- organic frameworks) xuất hiện như những ứng cử viên đầy triển vọng, giải quyết cho vấn đề còn nhiều thách thức, đó là lưu trữ hydrogen đáp ứng nhu cầu năng lượng, bắt giữ khí thải làm giảm tải ô nhiễm môi trường và có thể ứng dụng trong tách lọc khí từ các hỗn hợp khí nhờ vào những tính chất vượt trội của vật liệu vi xốp như diện tích bề mặt riêng cực lớn, kích thước lỗ xốp phù hợp và có độ xốp rất cao.8 Do

đó, MOFs có khả năng lưu trữ các khí mà người ta không muốn xả thẳng ra môi trường như CO2 hoặc lưu trữ các loại khí làm nhiên liệu cho xe cộ như H2, CH4, Trong số các vật liệu MOFs, MIL-53 là một trong những vật liệu được chú ý với tính linh hoạt trong cấu trúc và hiện tượng “thở” là giải pháp tối ưu cho việc hấp phụ

và tách lọc khí CO2 và H2.9

Xuất phát từ những yêu cầu và tính cấp thiết nêu trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên

pháp mô phỏng Monte Carlo”

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài

Vài chục năm trở lại đây, vật liệu xốp ngày càng phát triển với tốc độ đáng

kinh ngạc, với nhiều phát minh và nghiên cứu được công bố như vật liệu ống nano carbon,10 vật liệu silica lỗ xốp trung bình (có đường kính lỗ xốp 2 − 50 nm),11 vật

liệu carbon lỗ xốp trung bình.12 Tuy nhiên, người ta nhận thấy rằng các vật liệu trên

có nhược điểm là khung cấu trúc cứng, khó biến đổi và khó có thể đưa vào các nhóm chức hóa học Để giải quyết vấn đề trên vật liệu MOFs vi xốp và lỗ xốp trung bình được ra đời.13

Vật liệu MOFs được tạo thành từ sự liên kết của các cầu nối hữu cơ với các tâm hay cụm kim loại; nhờ vậy, chúng có những tính chất đặc biệt như cấu trúc tinh thể, diện tích bề mặt riêng rất lớn lên đến 10000 m2/g, khung cấu trúc linh động, có thể thay đổi kích thước, hình dạng lỗ xốp và đa dạng nhóm chức hóa học bên trong

lỗ xốp để cải tiến đặc trưng cấu trúc cũng như khả năng hấp phụ.8 Từ đó, nâng cao

được lượng khí lưu trữ, bắt giữ hay tách lọc Chính vì thế, đây là loại vật liệu đã mở

ra nhiều ứng dụng tiềm năng trong công nghiệp,14 điện tử,15 y sinh học,16 năng lượng,17 môi trường,18 v.v…

Những ứng dụng được quan tâm nhiều nhất hiện nay đối với họ vật liệu này là lưu trữ khí cho ứng dụng năng lượng hoặc bắt giữ và loại bỏ khí thải và làm sạch môi trường Những ứng dụng được đánh giá cao hiện nay là nhu cầu hấp phụ, tách

và lưu trữ khí xuất phát từ mục đích tiết kiệm tài nguyên, năng lượng và bảo vệ môi trường Bên cạnh đó, vật liệu này được đánh giá cao là vì có khả năng phục hồi cấu trúc sau khi đã giải hấp khí và tính hấp phụ vật lý hoàn toàn thuận nghịch Trong những năm qua, nhiều vật liệu MOFs đã tổng hợp thành công bằng phương pháp thực nghiệm hoặc thông qua đề xuất bằng phương pháp mô phỏng Cho đến nay, sau hơn 20 năm, gần cả 100.000 vật liệu MOFs đã được tổng hợp và hơn 500.000 cấu trúc đã được dự đoán nhưng mới chỉ gần 3500 bài báo liên quan đến MOFs được xuất bản.19,20 Trong đó, MIL-53 là một trong số các MOFs được chú ý với nhiều tính năng và ứng dụng vượt trội, thể hiện ở Hình 3

Vật liệu MIL-53 đã từng được tổng hợp thành công cũng như được đề xuất bằng phương pháp tính toán (MD, GCMC và IAST) như MIL-53(Cr), MIL-53(Fe), MIL-53(Sc), MIL-53(Al), Các nghiên cứu cũng chỉ ra nhóm vật liệu MIL-53 hấp phụ CO2 vượt trội với các vật liệu hấp phụ khác Bên cạnh đó, MIL-53 cũng thể hiện độ chọn lọc hấp phụ cao đối với CO2/N2 , CO2/CH4 , CO2/O2 , và cho thấy

ứng dụng tiềm năng cho khả năng tách khí của chúng.21,22 Cấu trúc tinh thể vật liệu MIL-53 có thể thấy qua mô hình như Hình 4

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu khả năng hấp phụ khí như CO2,

H2 và và tách lọc khí CO2/H2 với nhiều tỉ lệ khác nhau của vật liệu MIL-53 thông qua phương pháp mô phỏng chính Monte Carlo chính tắc lớn kết hợp với một số phần mềm và tính toán, mô phỏng khác

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu chính của đề tài: Phương pháp mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn (GCMC = Grand Canonical Monte Carlo)

- Bên cạnh, đề tài còn sử dụng một số phương pháp khác như tính toán dựa trên

lý thuyết phiếm hàm mật độ có hiệu chỉnh Van der Waals để hồi phục trạng thái, tối

ưu cấu trúc và tính điện tích riêng phần cho các nguyên tử của vật liệu MIL-53(Cr)

để đưa vào thực hiện các mô phỏng GCMC

- Để phân tích và trực quan dữ liệu, nghiên cứu cũng sử dụng một số phần mềm như VESTA, PARAVIEW, AVOGADRO, v.v

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu của đề tài: cấu trúc khung hữu cơ kim loại MIL-53 và khí CO2 và H2; hệ hấp phụ MIL-53 + H2, MIL-53 + CO2, MIL-53 + (H2, CO2)

- Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu, phân tích và đánh giá khả năng ứng dụng của MIL-53(Cr) trong lĩnh vực lưu trữ, bắt giữ và hấp phụ chọn lọc các khí H2, CO2

CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan vật liệu khung hữu cơ kim loại

Vật liệu khung hữu cơ kim loại (MOFs) có thể hiểu một cách đơn giản là một mạng không gian ba chiều, được tạo nên từ các ion hoặc cụm kim loại và được kết nối với các phối tử hữu cơ tạo thành khung mạng hai chiều hoặc ba chiều, để lại những khoảng trống lớn bên trong.25

MOFs được nghiên cứu vào cuối những năm 1990s bởi nhóm của Giáo sư Omar Yaghi, tại Trường Đại học California tại thành phố Los Angeles, Mỹ (UCLA) Hiện nay, loại vật liệu này đang rất được chú ý trong nhiều lĩnh vực ứng dụng nhờ đặc điểm nổi bật về bề mặt riêng cực lớn tới 10000 m2/g, vượt xa so với các vật liệu xốp truyền thống như zeolit và cacbon.8 Từ đó người ta nghĩ ngay tới việc dùng các bình chứa có vật liệu MOFs bên trong để tăng đáng kể tới hàng chục lần khả năng lưu trữ các loại khí này so với các loại bình không có vật liệu MOFs bên trong Bằng cách thay đổi các cầu nối hữu cơ hoặc ion kim loại ta có thể thay đổi được kích thước lỗ xốp của vật liệu thông qua đó điều chế được các vật liệu xốp có khả năng hấp thụ chọn lọc

Vật liệu khung hữu cơ kim loại được đánh giá cao vì cấu trúc lỗ xốp này vẫn bền sau khi các dung môi được lấy ra khỏi lỗ xốp, kết quả ta nhận được khung tinh thể với tỉ trọng thấp và diện tích bề mặt cao Chính bởi lý do đó, MOFs được các nhà khoa học và giới công nghiệp xem như những vật liệu của tương lai có khả năng

Ion/Cụm kim loại

Cầu nối

tạo nên những thay đổi mang tính cách mạng đối với những lĩnh vực quan trọng nhất của thế giới như năng lượng, bảo vệ môi trường, y tế Điều này giúp các cấu trúc MOFs được sử dụng làm chất hấp phụ,27 chất xúc tác,28 siêu tụ điện,29 phương tiện vận chuyển thuốc,30 đặc biệt cho mục đích điều trị ung thư.31 Bên cạnh đó, MOFs còn có thể sử dụng làm các cảm biến hóa học nhờ vào những tính chất đặc biệt, trong một số trường hợp là nhờ vào tính chất độc nhất, như tính phát quang, khả năng truyền tín hiệu, truyền điện tích và có độ bền nhiệt nhất định.8 Dưới đây là các vật liệu có nguồn gốc từ MOFs đã thu hút nhiều sự quan tâm trong các lĩnh vực khác

nhau, từ kỹ thuật môi trường đến y sinh thể hiện tại Hình 1.2

Không dừng lại ở đó, nhóm của GS Yaghi cũng như các nhóm nghiên cứu khác tổng hợp thành công nhiều cấu trúc MOFs Ðến năm 2006, tổng hợp được hơn 100 loại MOFs dạng vi lỗ xốp với hai thành phần zeolite và cầu nối hữu cơ imidazolate, ZIF (Zeolitic Imidazolate Framework); HKUST, MIL (Materials of Institute Lavoisier); NU (Northeastern University), và nghiên cứu cho rất nhiều ứng dụng

Cho đến hiện nay, nhiều cấu trúc MOFs khác nhau được báo cáo và số lượng của chúng vẫn tăng lên hàng ngày, trong đó có các loại vật liệu MIL-53 Tuy nhiên,

có rất ít bài báo về vật liệu MIL-53 về nghiên cứu khả năng tách lọc khí CO2 và H2

1.2 Sự ra đời, phát triển và phương pháp tổng hợp vật liệu MIL-53

1.2.1 Sự ra đời, phát triển của vật liệu MIL-53

Đến nay, có hàng nghìn MOFs đã được phát hiện và đặt tên theo nguồn gốc và

số sê-ri của nó MIL (Material of Instutute Lavoisier) là một trong những lớp của MOFs và được đặt tên theo nơi nghiên cứu chúng, đó là Viện vật liệu Lavoisier ở Versailles Vật liệu MIL-53 được tổng hợp thành công bởi nhóm của GS Gerard Férey vào năm 2002.32 Nghiên cứu về vật liệu MIL-53 phần lớn được thúc đẩy do cấu trúc linh hoạt của nó mang lại phạm vi ứng dụng rộng hơn MIL-53 là một loại vật liệu có tính chất rất xốp và linh hoạt đã được nghiên cứu và đặc biệt có tính “thở”

so với nhiều MOFs khác và do đó các đặc tính của chúng được nghiên cứu mạnh mẽ trong các năm qua.33,34

Thành phần hữu cơ và vô cơ của MIL-53 lần lượt là 1, 4 benzenedicarboxylate (BDC) và M III với M là kim loại và kim loại đuợc công bố lần đầu tiên cho vật liệu này là Cr III Cụ thể, cấu trúc của MIL-53 được phối hợp giữa các bát diện với hai nhóm hydroxyl và bốn liên kết BDC, thường được ký hiệu là MIL-53as (như: dưới dạng tổng hợp, bao gồm axit terephthalic ), MIL-53ht (ht: nhiệt độ cao, chất rắn thu được sau khi loại bỏ axit tự do khỏi MIL-53as bằng cách nung ở nhiệt độ cao), MIL-53lt (lt: nhiệt độ thấp, chất rắn thu được do MIL-53ht hấp phụ bởi nước trong khí quyển ở nhiệt độ thấp).25

Khi tiếp xúc với không khí ẩm, các lỗ mao quản hấp phụ ngay lập tức các phân

tử nước, do đó cấu trúc của chúng bị thu nhỏ lại xung quanh các phân tử nước và kích thước phân tử của nó giảm đáng kể, gần 39% Điều bất ngờ hơn là sự khôi phục lại cấu trúc ban đầu ngay lập tức sau khi làm nóng.9 Cấu trúc có thể co giãn để cố định và giải phóng các phân tử nước giống như sự hít thở không khí của những lá phổi của con người

Hình 1.3 Quá trình hydrat hóa và khử nước xảy ra trong MIL-53 (Al, Cr) Trong đó,

Các nghiên cứu gần đây cho thấy, MIL-53 không những chỉ “hít thở” các phân tử nước mà còn có các phân tử khác như các hydrocacbon, CO2 và hydrogen, methane, Hiện tượng “hít thở” thuận nghịch này liên quan đến một tương tác đàn hồi ở thể rắn, dẫn đến chuyển pha cấu trúc giữa mao quản lớn và mao quản thu hẹp Chính vì vậy, trong quá trình hấp phụ lưu trữ khí cấu trúc linh hoạt của vật liệu có thể mở ra hoặc đóng lại dưới tác động các yếu tố bên ngoài như áp suất, nhiệt độ và ánh sáng Với sự hiện diện của hydrogen, MIL-53 “nuốt” các hydrogen đến 3,1% trọng lượng, kết quả vượt trội hơn có thể là do sự khôi phục lại cấu trúc ban đầu ngay lập tức sau khi đun.34

Từ Hình 1.4 và Bảng 1.1 dưới đây, một lần nữa đã cho thấy việc “hít thở” của các vật liệu MIL-53 với thành phần kim loại khác nhau là một hiệu ứng hợp tác hoàn toàn của nút kim loại và phân tử liên kết.35

Các dạng khác nhau của MIL-53

Trong đó, nổi bật nhất là MIL-53 với thành phần kim loại là indium (In), scandium (Sc) và sắt (Fe) Đối với MIL-53(In) chưa được tổng hợp bằng thực nhiệm MIL-53 với thành phần kim loại như sắt và scandium thể hiện sự co kích thước (ô cơ cở) khi bị kích hoạt là trái ngược với các khung MIL-53 khác.35

Dạng cấu trúc MIL-53 (Cr) MIL-53 (Al) MIL-53 (Ga) MIL-53 (In) MIL-53 (Fe) MIL-53 (Sc)

1.2.2 Một số phương pháp tổng hợp vật liệu MIL-53

Vật liệu MIL-53(Al) với kích thước đường kính mao quản (≈ 0,85 nm) diện tích bề mặt riêng theo Langmuir là 1627 m2/g bằng phương pháp thủy nhiệt theo quy trình như sau:

Cho Al(NO3)3 9H2O (375 mg, 0,50 mmol) và axit 1,4-benzenedicacboxylic,

H2BDC (83,1 mg, 0,50 mmol) được hòa tan trong 1,5 ml nước khử ion (DI) trong Teflon - nồi hấp thép có vạch Dung dịch sau đó được đun nóng ở 220 ℃ trong 3 ngày trong lò đẳng nhiệt để thu được kết tủa trắng Sau khi làm nguội nồi hấp đến nhiệt độ phòng, kết tủa trắng thu được bằng cách ly tâm và rửa năm lần bằng nước

DI Sau đó, mẫu tổng hợp được hút chân không ở nhiệt độ phòng trong 24 giờ Chất

rắn sau đó được nung nóng trong không khí ở nhiệt độ 330 ℃ trong 3 ngày để loại

bỏ lượng H2BDC hấp phụ trong các lỗ rỗng.36

Bên dưới là Hình 1.5 thể hiện mô hình của MIL-53(Al) với quy ước màu nguyên tử: C là màu đen; O là màu đỏ; Al là màu xanh lam và nguyên tử H được bỏ qua cho rõ ràng

Bên cạnh đó, vật liệu MIL-53(Fe) được tổng hợp bằng phương pháp nhiệt dung môi (solvothermal) Trong phương pháp này, một lượng phân cực bằng nhau của sắt clorua (FeCl3.6H2O, 1 mmol), axit terephthalic (TPA, 1 mmol) và HF (1 mmol) được trộn trong dung môi N, N-dimetylformamit (DMF, 5 mL) và được đặt trong nồi hấp thép không gỉ lót Teflon ở 150 ℃ trong 3 ngày để tổng hợp Chất rắn MIL-53(Fe) màu vàng tổng hợp được tạo ra.37 Hình 1.6 là mô hình MIL-53(Fe) được tạo thành với chuỗi vô hạn của các đơn vị bát diện chia sẻ góc [FeO4(OH/F)2] hoặc (FeO6) được liên kết chéo bởi 1,4 phối tử benzenedicarboxylate (BDC) để tạo ra một mạng

ba chiều

Hình 1.6 Cấu trúc tinh thể của MIL-53 (Fe) với hình ảnh dọc theo chuỗi khối bát diện

1.3 Ứng dụng của vật liệu MIL-53

lĩnh vực tách khí

Đã có rất nhiều bài báo nghiên cứu, tổng hợp những vật liệu MOFs có khả năng hấp phụ chọn lọc khí CO2 cao ví dụ như MOF - 210 có thể hấp thu một lượng

CO2 và N2 lên tới 2400 cm3/g Tuy nhiên, hạn chế lớn của các vât liệu MOFs là sự

ổn định nhiệt thấp hơn so với zeolite và than hoạt tính; do đó, chúng không được ứng dụng trong công nghiệp MIL-53(Al) là một loại MOFs được cho là có tiềm năng ứng dụng trong công nghiệp bởi có bề mặt riêng lớn, hấp phụ có độ chọn lọc cao với CO2, khả năng bền nhiệt cao lên tới 500℃, có khả năng điều chỉnh cấu trúc mao quản sao cho việc thu giữ các loại khí được tối ưu nhất.22

Khả năng chọn lọc hấp phụ CO2 vượt trội của MIL-53(Al) với các vật liệu hấp phụ khác được so sánh ở Bảng 1.2, khả năng hấp phụ chọn lọc CO2 so với

các loại khí khác của MIL-53(Al) cho bởi Bảng 1.3 và Hình 1.7,22 được các nhà khoa học của Viện Gujarat, Ấn Độ đã nghiên cứu khả năng hấp phụ chọn lọc

CO2 của MIL-53(Al)

(Benzen lắng đọng trên than

hoạt tính gốc vỏ cọ dầu hoạt

tính hóa học ở áp suất 800

mmHg và nhiệt độ 800 ℃)

15,2 7,5 9,2 12,5 2,01 1,64 1,21

Than hoạt tính40

(Benzen lắng đọng trên than

hoạt tính gốc vỏ cọ dầu hoạt

Bảng 1.3 Khả năng hấp phụ chọn lọc của MIL-53(Al) ở 303 K.22

Kết quả cho thấy rằng MIL-53(Al) là một vật liệu có tiềm năng nhất trong việc tách khí CO2 từ hỗn hợp khí và khả thi nhất nếu ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện nay.22Khi thay đổi các nguyên tử MIL-53(M) [M=Cr, Fe, Sc, Al] của vật liệu khung hữu cơ kim loại MOFs cho thấy thể tích của các vật liệu MOFs đó tăng đáng kể ở nhiệt độ cao Bằng cách phân tích các đường đẳng nhiệt hấp phụ, người ta thấy rằng nhiệt độ có ảnh hưởng lớn nhất đến hành vi hấp phụ khí của các vật liệu này

Đối với 53(Cr), độ hấp phụ của một số tổ hợp hai loại khí bằng 53(Cr) ở 293 K, kết quả chỉ ra rằng vật liệu này có sự hấp phụ chọn lọc CH4 so với

MIL-CO2, H2S và N2 Các vật liệu MIL-53 có độ chọn lọc hấp phụ rất cao đối với CH4

và độ chọn lọc hấp phụ vừa phải đối với CH4 và H2S so với N2, cho thấy tiềm năng tách khí của chúng.21

1.3.2 Ứng dụng hấp phụ khí của vật liệu MIL-53 đối với chất hữu cơ, thuốc nhuộm và kim loại nặng

Ngoài ra, MIL-53 còn được nghiên cứu ứng dụng trong lĩnh vực hấp phụ chất hữu cơ, thuốc nhuộm và kim loại nặng Nhứng chất này cũng là những chất gây ô nhiễm môi truờng có mặt khắp nơi ảnh hưởng đến chất lượng đất, nước và không khí, do đó việc khắc phục chúng cũng rất quan trọng Chẳng hạn, triclosan (TCS) được sử dụng trong một số sản phẩm chăm sóc cá nhân và được biết là có tác dụng phụ đối với con người và các sinh vật sống khác nếu có vấn đề Dou và cộng sự đã

sử dụng MIL-53(Al) để hấp phụ TCS đã đạt được 99% loại bỏ TCS TCS được phát hiện có độ chọn lọc cao nhất đối với cả MIL-53(Al) và SDA-MIL-53(Al).42

MIL-53(Al) cũng được chỉ ra là rất hiệu quả trong việc phân hủy nhiều chất ô nhiễm như nitrobenzene, bisphenol-A, p-nitrophenol và những chất khác Lượng hấp phụ đạt được tối đa công suất lên đến 610 mg/g Phân tích động học cho thấy 60% nitrobenzene và sự tái sinh MIL-53(Al) đã thành công thực hiện tối đa 3 chu kỳ Bisphenol-A đã bị loại bỏ khỏi dung dịch nước bằng MIL-53(Al) với khả năng hấp phụ là 329,2 ± 16,5 mg/g.43

Bên cạnh đó, cấu trúc của MIL-53(Fe) cũng được chỉ ra có khả năng hấp phụ các phân tử hữu cơ khác nhau Ngoài ra, sự phát triển cải tiến công nghệ hấp phụ

CO2 để loại bỏ khí thải được coi là bước quan trọng trong sự phân tách CO2 G Ferey

cùng các cộng sự đã chứng minh được rằng MIL-53(Fe) có thể hấp phụ hydrogen ở nhiệt độ thấp và một lượng lớn CO2 ở điều kiện thường.32

1.3.3 Ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến khí của vật liệu MIL-53

Freund và cộng sự đã phát triển màng cảm biến sử dụng MIL-53(Al) và phụ gia carbon để phát hiện CO2 trong hỗn hợp với CH4 ở áp suất cao.44 MIL-53(Al) được điều chế bằng phương pháp điện nhiệt và cảm biến là loại phim cảm biến Phương pháp đo màu được sử dụng để phát hiện glucose trong các mẫu tổng hợp và mẫu thực bằng MIL-53(Fe) Ðể xác nhận hành vi giống peroxidase của MIL-53(Fe), xúc tác quá trình oxy hóa các chất nền peroxidase bằng H2O2 được thực hiện Khi thử nghiệm độ chọn lọc đối với ba saccharide khác nhau (maltose, lactose và fructose) được tiến hành trong cùng điều kiện, độ hấp phụ được tìm thấy giống như

độ hấp phụ của các chất đệm Do đó, hệ thống này đã cho thấy có hiệu quả trong việc phát hiện glucose.45

Yang và cộng sự đã trao đổi cation giữa Fe+3 và Al +3 để phát hiện ra ion Fe+3.46Việc chuyển đổi MIL-53(Al) huỳnh quang mạnh thành huỳnh quang yếu, dẫn đến dập tắt MIL-53(Al), cho phép phát hiện Fe+3 trong dung dịch nước trong khoảng 3–200 𝜇M và giới hạn phát hiện là 0,9 𝜇M Nghiên cứu cũng đã được áp dụng để phát hiện Fe+3 trong mẫu nước tiểu của con người

Yi và nhóm đã nghiên cứu hiệu suất xúc tác của MIL-53(Fe) trong hệ thống phát quang hóa học luminol – H2O2 (CL).47 Các kết quả thí nghiệm cho thấy MIL-53(Fe) có thể tăng cường đáng kể chất luminol CL khi có mặt H2O2 trong môi truờng kiềm Cường độ CL trong hệ luminol- H2O2 - MIL-53(Fe) cao hơn khoảng 20 lần so với trong hệ thống luminol- H2O2

1.3.4 Ứng dụng vận chuyển thuốc của vật liệu MIL-53

Mục đích của việc thiết kế MOFs để phân phối thuốc là thiết kế các chất vận chuyển thuốc có ít hoặc không có độc tính trong cơ thể

Ðầu tiên, MIL-53 được xem xét như một hệ thống phân phối thuốc khả thi giữa các MOFs Nhóm Ferey đã báo cáo rằng cả MIL-53(Cr) và MIL-53(Fe) có thể tải hiệu quả 0,220 và 0,210 g ibuprofen.48 Khả năng tải thuốc không bị ảnh hưởng bởi

nhiệt độ cao Ngược lại, loại dung môi, tỷ lệ tương đối giữa Ibuprofen với chất rắn

xốp và thời gian tiếp xúc có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ thuốc bị hấp phụ Trước

khi tiêm thuốc, chất rắn đã được làm khô ở 150 ℃ để ngăn sự hiện diện của nước

trong các lỗ rỗng, làm cho việc hấp phụ các phân tử IBP kỵ nước trở nên khó khăn

hơn Sự hấp phụ của Ibuprofen đạt được bằng MIL-53(Cr, Fe) bằng cách đưa nó

vào dưới sự khuấy trộn trong Ibuprofen có chứa các dung dịch hexan Tổng lượng

ibuprofen được phân phối đạt được trong những trường hợp xác định sau 3 tuần

Gordon và nhóm đã chứng minh việc sử dụng micrô linh hoạt MIL-53(Fe),

MIL-101 và SBA-15 để hấp phụ và phân phối thuốc trong ống nghiệm của

acetaminophen, progesterone và stavudine Thuốc được nạp bằng phương pháp tẩm

ướt Sau 5 ngày, sự phân phối đầy đủ của stavudine và progesterone xảy ra;

acetaminophen được giải phóng hoàn toàn sau 6 ngày Việc giải phóng các mẫu

thuốc từ SBA-15 nhanh hơn nhiều so với cả hai vật liệu MOFs.49

CHƯƠNG 2 - PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Giới thiệu phương pháp mô phỏng

Phương pháp tính toán lượng tử dựa theo mô hình lý thuyết ban đầu là phương pháp mô tả chính xác bản chất của hệ vật liệu và cũng là phương pháp lựa chọn tốt nhất, trong đó phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết phiếm hàm mật độ (DFT = Density functional theory) là phương pháp được sử dụng nhiều nhất hiện nay để thực hiện các nghiên cứu trong lĩnh vực vật rắn, vật liệu Tuy nhiên, kết quả cho thấy rằng, đối với các hệ lớn mà kết quả của nó có thể đem so sánh được với các kết quả

đo thực nghiệm thì phương pháp lượng tử không còn là ưu thế vì thời gian tính toán khá lâu và chi phí tính toán rất lớn, thậm chí là không thể thực hiện được nếu số hạt quá lớn Do đó, trong trường hợp này phương pháp được chọn để thực hiện mô phỏng chính đó là các phương pháp mô phỏng cổ điển Hai phương pháp mô phỏng thông dụng nhất hiện nay là: phương pháp mô phỏng Monte Carlo (MC) và phương pháp mô phỏng Động lực học phân tử (MD = Molecular dynamics)

Phương pháp MD cổ điển là phương pháp mà các hạt vận động theo các phương trình cơ học cổ điển Newton, cung cấp giá trị của một số đại lượng của hệ theo thời gian trung bình và trong suốt tiến trình thời gian diễn ra của hệ đang khảo sát Trong phương pháp MC, các hạt vận động theo các bước ngẫu nhiên Tuy nhiên, trong mỗi một lần tính toán, phương pháp MD lại cập nhật lại toàn bộ hệ khảo sát, dẫn đến làm tăng chi phí và thời gian tính toán, nhưng mô phỏng MD lại là một phương pháp rất thích hợp để nghiên cứu các bài toán phụ thuộc vào thời gian.50

Trong khi đó, phương pháp MC hoạt động dựa trên việc tạo ra sự phân bố nhiệt để đạt trạng thái cân bằng trong quá trình mô phỏng diễn biến của hệ Đồng thời, phương pháp mô phỏng MC không hề cập nhật toàn bộ hệ khảo sát sau mỗi lần tính toán, không sử dụng các phép tính toán đạo hàm phụ thuộc vào thời gian

để mô tả hệ Phương pháp Monte Carlo là một công cụ khoa học được sử dụng

nhiều cho các vấn đề khó phân tích và đối với những thử nghiệm quá tốn thời gian, tốn kém tiền bạc hoặc không thực tế Phương pháp này thường được dùng để

mô phỏng cho hệ phân tử phổ biến thuận tiện và mạnh mẽ nhất để nghiên cứu các đặc tính hấp thụ của khí và hỗn hợp khí của chúng trong các vật liệu xốp như MOFs

và một số vật liệu khác, Bên cạnh đó, mô phỏng cũng có một số nhược điểm như sau: yêu cầu tài nguyên của máy tính phải rất lớn; không đưa ra các giải pháp chính xác; kết quả chỉ thực sự tốt khi dữ liệu mô hình đầu vào đã được tối ưu tốt;

và phần mềm mô phỏng cũng giống như bất kỳ phần mềm nào khác đều có thể gặp lỗi khi chạy mô phỏng.51

Như vậy, các phương pháp phân tích và thử nghiệm chúng ta nên được xem xét sử dụng đồng thời hoặc sau khi mô phỏng để kiểm tra tính đúng đắn của kết quả hoặc tối ưu mô hình trước khi tiến hành thực nghiệm để tiết kiệm tối đa chi phí, công sức, thời gian và đạt được kết quả tốt nhất

❖ Kỹ thuật phương pháp mô phỏng Monte Carlo

Phương pháp mô phỏng Monte Carlo gồm ba phần cơ bản theo thứ tự như

xác suất cho mỗi giá trị

• Thực hiện các bước chạy mô phỏng nhiều lần, tạo ra các giá trị ngẫu nhiên

của các biến độc lập Sự lặp lại này được thực hiện cho đến khi đủ kết quả thu thập

để tạo thành một mẫu đại diện của số lượng kết hợp gần như vô hạn có thể

2.1.1 Phép tính hóa thế

Trong các loại mô phỏng MC khác nhau được sử dụng thì mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn (GCMC) được sử dụng rộng rãi nhất để nghiên cứu và tính toán được khả năng hấp phụ khí vào vật liệu rắn xốp Mô phỏng GCMC là phương pháp

duy nhất cho phép tổng số hạt N hệ thay đổi Mô phỏng GCMC này có P là áp suất,

T là nhiệt độ, và μ là thế hóa được giữ không đổi trong suốt quá trình mô phỏng, còn