扩散机制与吸附相分类：基于Lennard-Jones流体在MOFs中的分子模拟新见解

《iScience》：Diffusion mechanism and adsorbed-phase classification—molecular simulation insights from Lennard-Jones fluid on MOFs

本研究聚焦于气体物理吸附的分子扩散机制，通过分子动力学模拟揭示了Lennard-Jones流体在Cu-BTC和MOF-5中的扩散行为，提出了吸附相分类新假设，为理解物理吸附现象提供了分子层面的新视角，对工业吸附技术发展具有重要意义。

　　气体的物理吸附在工业和环境工程领域有着广泛的应用，例如氢燃料电池汽车中的氢气存储、吸附热泵中的热能利用以及碳捕获、利用和储存（CCUS）中的二氧化碳去除等。然而，目前对于吸附剂内部气体分子扩散机制的研究还相对较少，尤其是在分子层面上的理解。为了填补这一科学空白，九州大学的研究人员开展了一项关于Lennard-Jones流体在金属有机框架（MOFs）中的扩散机制和吸附相分类的研究。通过分子动力学模拟，研究人员发现吸附相的扩散行为与吸附剂的结构和温度密切相关，并提出了一个新的吸附相分类假设，将吸附分子分为束缚分子、一般吸附分子、非吸附分子和自由分子四类。这一发现不仅有助于更好地理解物理吸附过程，还为吸附剂的设计和优化提供了理论依据，研究成果发表在《iScience》上。

在研究中，研究人员首先模拟了Lennard-Jones流体甲烷在Cu-BTC中的吸附过程，分别在低温液体、低温气体和室温气体条件下进行模拟。他们观察到，在低温液体吸附中，分子扩散具有明确的方向性，从外部向内部逐渐填充；而在低温气体吸附中，分子扩散较为均匀，填充每个笼子的速度相对较慢；室温气体吸附时，分子扩散则更为随机。此外，研究人员还发现，在低温吸附过程中，吸附相会发生相变，这一现象通过热容的变化得到了证实。

为了进一步验证提出的吸附相分类假设，研究人员在MOF-5中进行了甲烷吸附模拟，并与现有的实验数据进行了比较。结果表明，基于能量分布的分类方法能够更好地解释低温液体吸附中绝对吸附和过量吸附之间的关系，克服了传统Gibbs过量吸附理论在高压下的不足。

在研究方法上，研究人员主要采用了分子动力学模拟技术，通过模拟Lennard-Jones流体在Cu-BTC和MOF-5中的吸附过程，记录了分子的轨迹、能量分布等信息，从而分析了吸附相的扩散行为和分类特征。此外，他们还利用径向分布函数（RDF）来推断吸附相的状态，并通过计算吸附分子的总能量来区分束缚分子、一般吸附分子、非吸附分子和自由分子。

研究结果表明，在低温液体吸附中，吸附相表现出明显的液体特征，几乎没有自由分子存在，过量吸附几乎等于绝对吸附。而在室温气体吸附中，吸附相呈现出类似气体的超临界状态，约有23%的吸附分子具有正总能量，这些分子可以被视为非吸附分子。此外，研究人员还发现，温度和压力对吸附分子的能量分布有显著影响，进而影响吸附相的分类。

在讨论部分，研究人员指出，尽管他们的分类假设基于理想化的分子动力学模拟，但这一假设能够提供更连续的数值结果，并避免了在高压下过量吸附不切实际的下降。他们强调，未来的研究需要进一步验证这一假设，并探索其在不同材料和条件下的适用性。此外，研究人员还提出了关于束缚分子分类的进一步讨论，指出束缚分子的分布可能因材料的不同而存在显著差异，这一概念需要进一步研究。总之，这项研究为理解物理吸附现象提供了新的视角，并为吸附剂的设计和优化提供了理论支持，对相关领域的研究和应用具有重要意义。