分子動力学に立脚した高効率二酸化炭素回収材の開発

基于分子动力学开发高效二氧化碳回收材料

• 批准号: 17F17068
• 负责人: 大宮司 啓文
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17F17068/
• 关键词: 分子シミュレーション; 吸着; 多孔質材料; 材料設計

本研究の目的は二酸化炭素が円筒，円錐、ラバールノズルなどのような多様な形状の多孔質材料内に溜まることによって，変形する細孔が吸着現象の全般に与える影響を解明し，それをもとに理想的な吸着材を設計することである．現在の科学技術では高分子やイオン材料などを用いて孔隙の性質および長さと太さなどを設計することが可能だが，材料のパラメータの相関関係が複雑なため理想的な回収効率はいまだに不明である．既存の二酸化炭素回収物質の研究は試行錯誤と実験結果の解析からのトップ・ダウン型が大半であったことに比べ，本研究は分子レベルで二酸化炭素の吸着を向上させる因子を先に調べ，それと細孔が変形することをもとに吸着メカニズムを解明および理想的な細孔を設計するボトム・アップ型である．本研究でははじめに剛直な多孔質材料をモデル化して、二酸化炭素と水の吸着について分子シミュレーションを行った．実際の二酸化炭素の吸着は湿度の高い雰囲気下で行われることが多く，水蒸気の影響を明らかにすることは重要である．はじめに円筒状のモデル細孔について，細孔表面の親水性に空間的な分布を与え，細孔内部の水の吸着・移動について，分子シミュレーションを行った．この研究では親水性の空間分布に僅かな違いがあるだけで，吸着等温線，吸着緩和曲線が大きく異なることを指摘した．さらに金属有機構造体の一つであるMIL-101を対象として分子シミュレーションを行った．この研究では吸着等温線について実験結果と比較検討を行い，ポテンシャル関数の特徴を明らかにした後，非平衡の分子動力学の計算により二酸化炭素，水，二酸化炭素と水の混合系について細孔内外の移動特性を評価した．MIL-101は剛直な金属有機構造体であるが，柔軟な金属有機構造体についても検討した．柔軟な材料に対する適切な計算アルゴリズムの提案は今後の課題である．

本研究的目的是阐明当二氧化碳在圆柱体、圆锥体和拉瓦尔喷嘴等各种形状的多孔材料中积累时，变形孔隙对整体吸附现象的影响，并在此基础上设计一种吸附剂。用于此目的的理想吸附剂。以目前的科学技术，可以利用聚合物、离子材料等来设计孔隙的性质、长度和厚度，但由于材料参数之间的复杂关系，理想的回收效率仍不清楚。大多数现有的二氧化碳捕获材料研究都是基于反复试验和实验结果分析的自上而下的方法，但本研究首先在分子水平上研究了改善二氧化碳吸附的因素，这是一种自下而上的方法，阐明了这一方法。吸附机理并根据孔的变形设计理想的孔。在这项研究中，我们首先对刚性多孔材料进行了建模，并对二氧化碳和水的吸附进行了分子模拟。实际的二氧化碳吸附常常在潮湿的气氛中进行，因此澄清水蒸气的影响很重要。首先，对于圆柱形模型孔隙，我们给出了孔隙表面亲水性的空间分布，并对孔隙内水的吸附和运动进行了分子模拟。在这项研究中，指出即使亲水性空间分布的微小差异也会导致吸附等温线和吸附弛豫曲线的巨大差异。此外，我们对金属有机框架 MIL-101 进行了分子模拟。本研究将吸附等温线与实验结果进行比较，明确了势函数的特征，然后利用非平衡分子动力学计算计算了孔隙内外的二氧化碳、水以及二氧化碳和水的混合体系。我们评估了 的运动特性。尽管MIL-101是刚性金属有机结构，但我们也研究了柔性金属有机结构。为柔性材料提出合适的计算算法是未来的挑战。

项目成果

Molecular Dynamics Simulation of Ice Crystal Growth Inhibition by Hexadecyl-trimethyl-ammonium Bromide

十六烷基三甲基溴化铵抑制冰晶生长的分子动力学模拟

• DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b01903
• 发表时间: 2018
• 影响因子: 3.9
• 作者: Shimazu; Naoya;Takaiwa; Daisuke;Suh; Donguk;Kawaguchi. Touru;Fuse; Takuya;Kaneko; Takashi;Yasuoka; Kenji
• 通讯作者: Kenji

Molecular simulations of water adsorption and transport in mesopores with varying hydrophilicity arrangements

具有不同亲水性排列的介孔中水吸附和传输的分子模拟

• DOI: 10.1039/c8nr02016g
• 发表时间: 2018
• 影响因子: 6.7
• 作者: Kentaro Kashiwagi; Donguk Suh; Junho Hwang; Wei;Hirofumi Daiguji
• 通讯作者: Hirofumi Daiguji

親水性の分布をもつメソ細孔における水の吸着輸送 現象の分子シミュレーション

亲水分布中孔水吸附输运现象的分子模拟

• 发表时间: 2018
• 作者: 柏木健太朗; 大宮司啓文; 徐東郁; 黄晙浩; 徐偉倫
• 通讯作者: 徐偉倫

Molecular Dynamics Simulations on Thermal Fluctuation of Seed Particle Heterogeneous Bubble Nucleation

种子颗粒异质气泡成核热波动的分子动力学模拟

• 发表时间: 2017
• 作者: Donguk Suh;Kenji Yasuoka
• 通讯作者: Kenji Yasuoka

Seed Shape Effect of Heterogeneous Droplet, Bubble, and Crystal Nucleation by Molecular Dynamics

通过分子动力学研究异质液滴、气泡和晶体成核的种子形状效应

• 发表时间: 2017
• 作者: Donguk Suh;Kenji Yasuoka
• 通讯作者: Kenji Yasuoka