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摘要气体分离技术为工业、医药、航天、交通等过程提供重要的原料之一。目前，商业上气体分离主要生产工艺有低温分馏、变压吸附和膜分离技术等。其中，膜分离技术拥有低能耗、易操作、易维护等优点。研究表明，气体透过率与膜的厚度成反比关系，因此，单层纳米多孔结构在气体分离提纯上有广阔的应用前景。为了更好的达到分离目的，我们施加应力改变原子薄膜的结构来探究应力对气体通过二维多孔材料的影响。本文采用密度泛函理论方法，首先对N2和CH4吸附在类石墨烯结构的C2N二维材料表面的结构进行优化，根据气体到表面之间的距离以及吸附能得到气体吸附于表面为物理吸附，说明气体通过孔径时不会发生堵塞。最后利用基于最小能量路径（MEP）方法计算气体通过孔隙时的能量势垒。施加不同应力时，气体通过类石墨烯结构的C2N膜时的能量势垒明显不同，而后根据计算得到的能垒得到了不同应力下N2和CH4分离率。发现当施加应力使孔径变化5%时，分离率可以达到1010倍，而当不施加任何作用时，由于N2和CH4通过孔径时的能垒都比较高，因此不能通过孔径达到分离的效果。所有的结果显示，应力对N2和CH4通过二维多孔材料时将有一定的影响。43106
毕业论文关键词 ：应力 密度泛函理论 最小能量路径 能量势垒
毕业设计说明书外文摘要
Title The effect of stress on gas through two dimensional materials
Abstract
Gas separation technology is one of the important raw materials for industry, medicine, aerospace, transportation and so on. At present, the main production process of gas separation include low temperature fractionation, pressure swing adsorption and membrane separation technology. Among them, membrane separation technology has the advantages of low energy consumption, easy operation, and easy maintenance，so on. The study shows that the gas permeation rate is inversely proportional to the thickness of the atomic film. Therefore, the single layer nano-porous structure has broad application prospects in gas separation and purification. In order to achieve the purpose of separation, we applied stress to change the structure of atomic films to explore the effect of stress on gas through two dimensional porous materials. In this paper, the geometric structure, the minimum energy path (MEP) and the energy barrier of the C2N films of CH4 and N2 were calculated by using the density functional theory. For the structure with different stress, we use VASP software to optimize the structure, get the energy barrier of gas through the C2N film of the graphene like structure, and calculate the separation rate of N2 and CH4. By analyzing the changes of different structures and potential barrier, we conclude that the stress has a certain effect on the N2 and CH4 through the two-dimensional porous materials.
Keywords：Strain，Density Functional Theory，Minimum energy path，energy barrier
目 次
1 引言 1
2 计算方法 10
2. 1 密度泛函理论的提出 10
2. 2 密度泛函理论 10
2.3 Materials Studio软件简介 12
3 计算过程及结果分.14
3.1计算过程.17
3.2过程分析18
结论 29
致谢 30
参考文献31
1 引言
气体分离技术为工业、医药、航天、交通等过程提供重要的原料之一。商业上气体分离主要生产工艺有低温分馏、变压吸附和膜分离技术等。低温分馏的缺点是能耗高，设备体积大，一次性投资过大，因而集中生产会带来运输等问题。变压吸附则无法实现连续生产，生产效率低，气体的选择性也比较低，得到的气体纯度不高。相比传统的分离系统，膜分离还拥有低能耗、易操作、易维护等优点。如今，多种多样的膜材料如有机膜、无机膜和杂化膜已经被开发出来用于气体分离[1]。有机气体分离膜主要是通过高分子材料为原料得到气体分离膜以实现气体的分离。按其存在形式主要分为平板膜以及中空纤维膜。目前，可用于有机气体分离膜制备的材料有聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚砜(PS)、聚[1-(三甲幕硅氧烷)-1-丙炔] (PTMSP)等[2]。无机气体分离膜是指以无机材料为原料制备得到可用于气体分离的分离膜，主要的材料包括陶瓷、金属、金属氧化物、玻璃、硅酸盐、沸石以及炭等无机材料。无机膜具有：热稳定性好、化学性质稳定、强度大-751`文~论^文.网www.751com.cn、容易再生、易于控制孔径大小和孔径尺寸分布等特点[3]这些特点是有机气体分离膜所不具备的。而无机膜具有质脆小易加工，表面基层单一的缺陷，所以，有机-无机杂化膜分离材料是膜材料中新的研究开发领域。这种膜材料兼有有机膜易加工性能和无机膜耐高温等优点[4]。