Đang tải... (xem toàn văn)
Trang 1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GIỮ KHÍ SO2 CỦA CHUỖI VẬT LIỆU M2BDC2TED BẰNG CÁCH KẾT HỢP TÍNH TỐN LƯỢNG TỬ VÀ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GIỮ KHÍ SO2 CỦA CHUỖI VẬT LIỆU M2(BDC)2(TED) BẰNG CÁCH KẾT HỢP TÍNH TOÁN LƯỢNG TỬ VÀ CỔ ĐIỂN ĐỀ ÁN THẠC SĨ VẬT LÝ CHẤT RẮN Bình Định – Năm 2023 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN NGUYỄN QUANG VINH NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG BẮT GIỮ KHÍ SO2 CỦA CHUỖI VẬT LIỆU M2(BDC)2(TED) BẰNG CÁCH KẾT HỢP TÍNH TOÁN LƯỢNG TỬ VÀ CỔ ĐIỂN Ngành: Vật lý chất rắn Mã số: 8440104 Giảng viên hướng dẫn: TS NGUYỄN THỊ XUÂN HUYNH i LỜI CAM ĐOAN Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong đề tài này là trung thực, không sao chép từ bất kì nguồn nào và dưới bất kì hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo rõ ràng và đúng quy định Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân Tác giả đề án Nguyễn Quang Vinh ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến cô giáo, T.S Nguyễn Thị Xuân Huynh – giảng viên Trường Đại học Quy Nhơn, cô trực tiếp hướng dẫn tận tâm, hết lòng và chỉ bảo em trong suốt quá trình thực hiện đề án này Em cũng xin chân thành cảm ơn các bạn trong nhóm nghiên cứu của cô Nguyễn Thị Xuân Huynh, các bạn tạo môi trường làm việc vui vẻ, hiệu quả và giúp đỡ nhiệt tình để em thực hiện và hoàn thành đề án này Em cũng xin gửi lời tri ân đến quý thầy, cô công tác tại Bộ môn Vật Lý – Khoa học Tự nhiên, Khoa Khoa học Tự Nhiên, Trường Đại học Quy Nhơn đã tận tình truyền đạt và giảng dạy em những kinh nghiệm nghiên cứu và những kiến thức khoa học bổ ích để em hoàn thành quá trình học tập tại trường Bên cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Lãnh đạo Khoa Khoa học Tự nhiên, Phòng Hóa tính toán và Mô phỏng đã tạo điều kiện cho em học tập và hoàn thành đề án này Cuối cùng, xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến với gia đình và bạn bè, những người luôn động viên, ủng hộ, khuyến khích và tạo điều kiến tốt nhất cho em trong quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành tốt đề án này Em xin chân thành cảm ơn! Bình Định, ngày 28 tháng 11 năm 2023 Học viên Nguyễn Quang Vinh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v DANH MỤC BẢNG BIỂU vii DANH MỤC HÌNH VẼ viii MỞ ĐẦU 1 1 Lý do chọn đề tài 1 2 Mục đích nghiên cứu 3 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3 a Đối tượng nghiên cứu 3 b Phạm vi nghiên cứu 3 4 Phương pháp nghiên cứu 4 5 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6 1.1 Tình hình ô nhiễm và khả năng hấp phụ của khí SO2 6 1.2 Tổng quan về vật liệu khung kim loại hữu cơ 7 1.2.1 Tổng quan về vật liệu khung kim loại hữu cơ 7 1.2.2 Các phương pháp cơ bản tổng hợp vật liệu khung kim loại hữu cơ 9 1.2.3 Ứng dụng của vật liệu khung kim loại hữu cơ 10 1.3 Tổng quan những nghiên về hấp phụ khí SO2 trong vật liệu khung kim loại hữu cơ 10 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH VÀ TÍNH TOÁN 15 2.1 Mô hình vật liệu khung kim loại hữu cơ M2(BDC)2(TED) 15 2.2 Phương pháp mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn 16 2.3 Lý thuyết phiếm hàm mật độ trong tính toán hấp phụ khí 17 2.3.1 Phương trình schr𝑜̈dinger cho hệ nhiều hạt 17 2.3.2 Xấp xỉ Born – Oppenheimer và xấp xỉ đoạn nhiệt 18 2.3.3 Các định lý của Hohenberg – Kohn 19 2.3.4 Lý thuyết Thomas – Fermi 19 2.3.5 Phương trình Kohn – Sham 20 2.3.6 Hàm năng lượng trao đổi – tương quan 23 iv 2.3.7 Xấp xỉ khí điện tử đồng nhất 23 2.3.8 Các tập cơ sở 26 2.3.9 Các bộ giả thế 27 2.3.10 Phương pháp tự hợp 28 2.4 Chi tiết về tính toán 29 2.4.1 Chi tiết về mô phỏng Monte Carlo chính tắc lớn 29 2.4.2 Chi tiết về tính toán lý thuyết phiếm hàm mật độ 33 2.4.3 Chi tiết về tính toán cấu trúc điện tử 35 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 36 3.1 Tối ưu cấu trúc chuỗi vật liệu M2(BDC)2(TED) và thiết lập các thông số mô phỏng 36 3.2 Nghiên cứu khả năng bắt giữ khí SO2 của chuỗi M2(BDC)2(TED) 38 3.3 Ảnh hưởng của diện tích bề mặt và thể tích rỗng lên khả năng hấp phụ khí SO2 của chuỗi M2(BDC)2(TED) 43 3.4 Nhiệt hấp phụ đến khả năng bắt giữ SO2 trong chuỗi M2(BDC)2(TED) 45 3.5 Vị trí hấp phụ bền của khí SO2 trong chuỗi vật liệu M2(BDC)2(TED) 46 3.6 Tương tác giữa khí SO2 và M2(BDC)2(TED) 50 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54 1 Kết luận 54 2 Kiến nghị 55 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 v DANH MỤC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Nghĩa tiếng Anh Nghĩa tiếng Việt BDC 1.4-benzenedicarboxylate 1.4-benzenedicarboxylate Lý thuyết Brunauer-Emmett- BET Brunauer-Emmett-Teller Teller Chênh lệch mật độ điện tử CDD Charge density difference Tương tác Coulomb CL Coulomb interaction 1.4-Diazabicyclo[2.2.2octane] DABCO 1.4-Diazabicyclo[2.2.2octane] DDEC Density Derived Electrostatic Điện tích bảo toàn hóa học và tĩnh and Chemical điện suy ra từ mật độ điện tử DFT Density Functional Theory Lý thuyết phiếm hàm mật độ DOS Density of states Hàm mật độ trạng thái Phương pháp mô phỏng Monte GCMC Grand Canonical Monte Carlo Carlo chính tắc lớn GGA Generalized Gradient Xấp xỉ gradient suy rộng Approximation IRMOF Isoreticular Metal-Organic Vật liệu khung kim loại LDA Framework hữu cơ Isoreticular LJ Local Density Approximation Xấp xỉ mật độ định xứ LSDA Lennard-Jones Tương tác Lennard-Jones MIL Local Spin Density Approximation Xấp xỉ mật độ spin định xứ Materials of Institut Lavoisier Vật liệu xuất xứ từ viện Lavoisier MOF/MOFs Metal - Organic Framework Vật liệu khung kim loại hữu cơ PBE Perdue – Burke - Ernzerhof Phiếm hàm trao đổi tương quan Perdue – Burke - Ernzerhof SBU Secondary Building Unit Đơn vị xây dựng cấu trúc thứ cấp vi SSA Specific Surface Area Diện tích bề mặt riêng TED Triethylenediamine Triethylenediamine vdW van der Waals Tương tác van der Waals Lý thuyết phiếm hàm mật độ có vdW-DF van der Waals Density hiệu chỉnh tương tác Functional van der Waals vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Một số vật liệu MOFs điển hình và thành phần của chúng.18 9 Bảng 1.2 So sánh các đặc điểm cấu trúc trong khung kim loại hữu cơ có khả năng bắt giữ khí SO2 cao nhất.2 12 Bảng 1.3 Mô phỏng độ chọn lọc hấp phụ (a, b) và hấp phụ tuyệt đối (c, d) như một hàm tổng áp suất (a, d) và nhiệt độ (b, d) để loại bỏ đồng thời khí SO2, CO2 và NOx.13 13 Bảng 2.1 Các thông số LJ và thông số điện tích riêng phần cho từng loại nguyên tử khác nhau của MOFs và phân tử khí SO2 31 Bảng 3.1 Kết quả tối ưu hóa ô cơ sở chuỗi vật liệu M2(BDC)2TED 36 Bảng 3.2 Xác định bán kính cắt LJ dựa vào kết quả hấp phụ khí SO2 trong vật liệu Ni2(BDC)2TED 37 Bảng 3.3 Dung lượng hấp phụ khí SO2 của chuỗi M2(BDC)2TED và một số MOFs khác ở nhiệt độ 298 K và một số giá trị áp suất xác định 40 Bảng 3.4 Kết quả tính toán về diện tích bề mặt (SSA) và thể tích lỗ trống (VP) 45 Bảng 3.5 Kết quả năng lượng hấp phụ khí SO2 tại các vị trí khác nhau trong cấu trúc vật liệu Ni2(BDC)2(TED) 47 Bảng 3.6 Kết quả năng lượng hấp phụ khí SO2 trong chuỗi vật liệu M2(BDC)2(TED) tại cụm kim loại khác nhau 49 Bảng 3.7 Điện tích Bader của phân tử khí SO2 và M2(BDC)2(TED) 51 Bảng 3.8 Mức cho mặt đẳng trị (isosurface level) của các hệ hấp phụ 51 viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Mô hình phân tử khí sulfur dioxide (SO2) 6 Hình 1.2 Sự hình thành của vật liệu MOF-5 7 Hình 1.3 a) Số lượng bài báo công bố liên quan đến vật liệu MOFs và chất hấp phụ đến năm 2021;16 b) Một số đặc trưng điển hình và ứng dụng của MOFs.17 8 Hình 2.1 Ô cơ sở của cấu trúc chuỗi vật liệu M2(BDC)2(TED) hay M(BDC)(TED)0.5 15 Hình 2.2 Sơ đồ mô tả vòng lặp giải phương trình Kohn – Sham.26 29 Hình 2.3 Điện tích riêng phần của chuỗi MOFs và khí SO2 được tính bằng phương pháp DDEC 32 Hình 2.4 Dữ liệu đầu vào và đầu ra cho tính toán DFT bởi VASP 33 Hình 3.1 Xác định bán kính dựa vào kết quả hấp phụ 37 Hình 3.2 Các đường đẳng nhiệt hấp phụ của khí SO2 trong chuỗi M2(BDC)2TED ở nhiệt độ 298 K: a) Dung lượng toàn phần và bề mặt đến 2,5 bar; b) Dung lượng hấp phụ toàn phần đến 50 bar 39 Hình 3.3 Hình ảnh trực quan chuỗi vật liệu M2(BDC)2TED khi chưa hấp phụ khí 41 Hình 3.4 Hình ảnh trực quan lượng hấp phụ khí SO2 trong chuỗi vật liệu M2(BDC)2TED (M = Mg, V, Co, Ni, Cu, Zn) ở nhiệt độ 298 K và áp suất 0,1 bar 42 Hình 3.5 Hình ảnh trực quan lượng hấp phụ khí SO2 trong chuỗi vật liệu M2(BDC)2TED (M = Mg, V, Co, Ni, Cu, Zn) ở nhiệt độ 298 K và áp suất 1 bar 43 Hình 3.6 Khảo sát kết quả hấp phụ toàn phần (nabs) và bề mặt (nexc) khí SO2