Skip to main content
SUPERVISOR
Bijan Najafi,Hossein Farrokhpour,Mahmud Ashrafizadeh
بیژن نجفی (استاد راهنما) حسین فرخ پور (استاد مشاور) محمود اشرفی زاده (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mahdiyeh Bamdad
مهدیه بامداد

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391

TITLE

Investigation of the interaction between two and triatomic gases and cation-doped carbon nano tubes using quantum mechanics approach and its application in the molecular simulation
The aim of this thesis is investigation of the adsorption process in the oxygen storage container in molecular level. By inserting porous media in the oxygen storage container, it is expected oxygen content increases in constant volume and pressure. To consider that, some porous media such as zeolites, IRMOFs, and CNTs are selected. Then they have imposed to the oxygen gas and amount of gas adsorption is calculated using GCMC simulation. CNT1111 shows the most oxygen adsorbtion among all other candidates. In the next step, cation is physically doped in the CNT structure and GCMC siulation is repeated to investi- gate the effect of cation in amount of adsorption. The obtained isotherms show that cation inclusion in the carbonic structure improves the amount of gas adsorption. Lenard-Jones force field was responsible for the interaction between monomers in all previous simulation. However, the correctness of this force field for the new system in which cation is included is questionable. To find the effective force filed for thses kind of systems, the potential energy curve for the interaction between different cations such as Na+ ,Li+ , K+, and Cs+ and some gases (O2 , N2 , H2 , H2O, H2S, and CO) are obtained using quantum mechanics techniqes. The obtained curves are fitted on the known potential such as LJ12-6, LJ9-6, Morse, and Buchingham. Non of the mentioned potential could not describe the interaction between desired systems approprately. In this thesis, Morse potential is improved and an extended-Morse force field is introduced to describe the interaction between monomers in these kind of systems appropriately. The results of this part provide a valuable data base for researchers who are interested to study the gas adsorption in cation-doped carbonic structure by molecular simulation approaches. The effect of size and curvature of carbonic structure on the force field generation have been studied by DF-SAPT(DFT) method. Calculations have been done for Li+-doped carbonic structure with different size and curvature and some gases (O2, N2 ,H2 ,H2O , H2S, CO2, and CO). The results show that the carbonic system size and its curvature does not effect on the interaction between cation-doped carbonic structure and gases. It is important so that one could choose a basic part of carbonic structure (a benzene ring) as a model and provide a general force field for these kind of systems.
در این رساله سعی شده است تا فرآیند جذب در مخزن ذخیره‌سازی اکسیژن از لحاظ مولکولی بررسی شود. هدف، یافتن راهی است که بتوان در یک مخزن اکسیژن با حجم ثابت مقدار بیشتری گاز را در شرایط ثابت ذخیره نمود. راه حل پیشنهاد شده استفاده از مواد متخلخل در این مخازن است. مواد متخلخلی از خانواده‌ی زئولیت‌ها، IRMOF‌ و نانولوله‌های کربنی انتخاب شده و با استفاده از شبیه‌سازی مونت کارلو در مجموعه‌ی کانونی بزرگ مقدار جذب گاز اکسیژن بر روی این مواد محاسبه شده است. نتایج نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی به ویژه CNT1111 قابلیت بیشتری نسبت به سایر مواد متخلخل انتخاب شده برای جذب گاز اکسیژن دارد. با توجه به اینکه نمودار جذب و واجذب محاسبه شده بر روی یکدیگر منطبق شده است،‌ بنابراین پیشنهاد می‌شود که استفاده از نانولوله‌ی کربنی به عنوان یک ماده‌ی متخلخل می‌تواند میزان جذب اکسیژن را در دما، فشار و حجم یکسان افزایش دهد. در مرحله‌ی دوم برای بهبود میزان جذب نانولوله‌های کربنی پیشنهاد شده است تا کاتیون در ساختار ماده وارد شود. کاتیون‌های مختلف (سدیم، پتاسیم و لیتیوم) با درصدهای مختلف (یک، سه،‌ پنج و بیست درصد وزنی) به نانولوله اضافه شده است. مقدار جذب اکسیژن در ساختارهای جدید با شبیه‌سازی مونت کارلو در مجموعه‌ی کانونی بزرگ محاسبه شده است. نتایج نشان می‌دهد که هم نوع کاتیون وارد شده در ساختار نانولوله‌ی کربنی و هم درصد آن بر میزان جذب گاز اثرگذار است. شبیه‌سازی‌های انجام شده با استفاده از میدان نیروی لنارد-جونز انجام شده است. برای بررسی اینکه آیا این میدان نیرو نتایج قابل قبولی را برای این سیستم‌ها ارائه می‌دهد، پتانسیل برهمکنش یک مدل کربنی حاوی کاتیون لیتیوم و گاز اکسیژن با روش‌های مکانیک کوانتومی محاسبه شده است. نتایج به دست آمده از محاسبات مکانیک کوانتومی با پتانسیل‌های معروفی نظیر لنارد-جونز ?-??،‌ لنارد-جونز ?-?،‌ مورس و باکینگهام فیت شده است. نتایج نشان می‌دهد که هیچکدام از این پتانسیل‌ها نمی‌تواند برهمکنش میان ترکیب کربنی لیتیوم‌دار و کاتیون را توصیف کند. بنابراین، در این رساله پتانسیل مورس اصلاح شده و یک پتانسیل جدید برای توصیف این گونه برهمکنش‌ها ارائه شده است. محاسبات ذکر شده علاوه بر کاتیون لیتیوم و گاز اکسیژن برای کاتیون‌های سدیم، پتاسیم و سزیم و گازهای H2O،‌ CO، H2، N2، O2 و H2S نیز انجام شده و یک پایگاه داده جامع برای محققانی که زمینه‌ی تحقیقاتی آنها شبیه‌سازی مولکولی این گونه سیستم‌ها است فراهم شده است. با توجه به اینکه در محاسبات مکانیک مولکولی تنها بخشی از نانولوله به عنوان مدل انتخاب شده است، با استفاده از روش DF-SAPT(DFT) برهمکنش سیستم کربنی حاوی لیتیوم و چند گاز مانند O2، N2،‌ H2، CO، CO2، H2O و H2S محاسبه شده است تا اثر اندازه‌ی مدل و نیز انحنای ساختار بر روی این برهمکنش بررسی شود. محاسبات نشان می‌دهد که در ساختارهای کربنی حاوی کاتیون اندازه‌ی سیستم و انحنای آن تاثیری بر روی برهمکنش میان مونومرها ندارد. بنابراین علاوه بر اینکه در مدل‌سازی این گونه سیستم‌ها برای ارائه میدان نیرو می‌توان از کوچکترین واحد ساختاری کربن (بنزن) که حاوی کاتیون است استفاده نمود، میدان نیروی ارائه شده یک میدان نیروی قابل استفاده برای کلیه‌ی ترکیبات کربنی در این زمینه می‌باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی