胺基功能化的炭材料上二氧化碳吸附的密度泛函理论研究

doi:10.3866/PKU.WHXB201604012

物理化学学报 >> 2016, Vol. 32 >> Issue (7): 1666-1673.doi: 10.3866/PKU.WHXB201604012

胺基功能化的炭材料上二氧化碳吸附的密度泛函理论研究

王娟¹,李世坤¹,赵侦超¹,周丹红²,陆安慧¹,张维萍^1,*()

¹ 大连理工大学化工学院,精细化工国家重点实验室,辽宁大连116024
² 辽宁师范大学功能材料化学研究所,辽宁大连116029

收稿日期:2016-01-27 发布日期:2016-07-08
通讯作者: 张维萍 E-mail:wpzhang@dlut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金(21373035);中央高校基本科研业务费专项资金(DUT13YQ107)

Density Functional Theory Study of CO₂ Adsorption in Amine-Functionalized Carbonaceous Materials

Juan WANG¹,Zhen-Chao ZHAO¹,Dan-Hong ZHOU²,An-Hui LU¹,Wei-Ping ZHANG^1,*()

¹ State Key Laboratory of Fine Chemicals, School of Chemical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, Liaoning Province, P. R. China
² Institute of Chemistry for Functionalized Materials, Liaoning Normal University, Dalian 116029, Liaoning Province, P. R. China

Received:2016-01-27 Published:2016-07-08
Contact: Wei-Ping ZHANG E-mail:wpzhang@dlut.edu.cn
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China(21373035);Fundamental Research Funds for the Central Universities in China(DUT13YQ107)

摘要/Abstract

摘要：

本文利用色散作用校正的密度泛函理论研究了炭材料上含氮官能团对CO₂吸附的作用。通过计算比较了不同含氮官能团炭材料结构片段吸附二氧化碳后的结构参数和能量，由于较强的静电作用和形成弱氢键，含单个苯环的酰胺和吡啶类的吸附剂吸附二氧化碳的作用强于单个苯胺和吡咯类吸附剂。但当增加苯环数时，色散作用主导的吡咯型吸附剂的吸附能力显著增强。以上结果预示着酰胺和吡咯类将是大π体系中具有良好CO₂吸附性能的吸附剂。因而，色散作用在CO₂吸附过程中也占据着重要地位。计算得到的结果与我们之前的实验结果一致，并且将有利于筛选更有效的二氧化碳吸附剂。

关键词: 炭材料, 二氧化碳捕获, 胺基功能化, 可持续发展的化学, 密度泛函理论计算

Abstract:

Density functional theory with dispersion correction (DFT-D3) was used to investigate the effects of N-doping on the adsorption of CO₂ in carbonaceous materials. The CO₂ adsorption energies and equilibrium geometry parameters were studied to compare the effects of various N-containing functional groups. The adsorption energies of single amide-and pyridine-type adsorbents were higher than those of aniline-and pyrroletype adsorbents, as a result of strong electrostatic interactions and/or the formation of weak hydrogen bonds. For pyrrole-type adsorbents, the adsorption energy increased with increasing number of benzene rings, because dispersion became the dominant interaction. These findings indicate that amide-and pyrrole-type adsorbents are the most promising CO₂ trappers. The calculation results are consistent with our previous experimental conclusions for N-doped carbonaceous materials and will be useful for screening carbon materials to achieve more efficient CO₂ capture.

Key words: Cabonaceous material, CO₂ capture, Amine-functionalization, Sustainable chemistry, DFT calculation

MSC2000:

O641

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王娟,李世坤,赵侦超,周丹红,陆安慧,张维萍. 胺基功能化的炭材料上二氧化碳吸附的密度泛函理论研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(7): 1666-1673.

Juan WANG,Zhen-Chao ZHAO,Dan-Hong ZHOU,An-Hui LU,Wei-Ping ZHANG. Density Functional Theory Study of CO₂ Adsorption in Amine-Functionalized Carbonaceous Materials[J]. Acta Phys. -Chim. Sin., 2016, 32(7): 1666-1673.

参考文献

1	Jiang N. ; Deng Z. Y. ; Wang G. Y. ; Liu S. Y Prog. Chem. 2014, 26, 1645.
1	姜宁; 邓志勇; 王公应; 刘绍英. 化学进展, 2014, 26, 1645.
2	Olajire A. A J. Petrol. Sci. Eng. 2013, 109, 364.
3	Zhu X. ; Lv W. J. ; Hu J. ; Wang H. L. ; Liu H. L CIESC J. 2014, 5, 1553.
3	朱祥; 吕文杰; 胡军; 汪华林; 刘洪来. 化工学报, 2014, 5, 1553.
4	Bai F. H. ; Xia Y. D. ; Chen B. L. ; Su H. Q. ; Zhu Y. Q Carbon 2014, 79, 213.
5	Hao G. P. ; Li W. C. ; Qian D. ; Lu A. H Adv. Mater. 2010, 22, 853.
6	Hao G. P. ; Li W. C. ; Qian D. ; Wang G. H. ; Zhang W. P. ; Zhang T. ; Wang A. Q. ; Schuth F. ; Bongard H. J. ; Lu A. H J. Am. Chem. Soc 2011, 133, 11378.
7	Shen W. Z. ; Zhang S. C. ; He Y. ; Li J. F. ; Fan W. B J. Mater. Chem. 2011, 21, 14036.
8	Hu J. X. ; Zhang J. ; Zou J. F. ; Xiao Q. ; Zhong Y. J. ; Zhu W. D Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 6, 1169.
8	胡敬秀; 张静; 邹建锋; 肖强; 钟依均; 朱伟东. 物理化学学报, 2014, 6, 1169.
9	De Souza L. K. C. ; Wickramaratne N. P. ; Ello A. S. ; Costa M. J. F. ; da Costa C. E. F. ; Jaroniec M Carbon 2013, 65, 334.
10	Qian D. ; Lei C. ; Wang E. M. ; Li W. C. ; Lu A. H ChemSusChem 2014, 7, 291.
11	Millward A. R. ; Yaghi O. M J. Am. Chem. Soc. 2005, 127, 17998.
12	Chen C. ; Pang J. ; Han S. ; Zhang B. X. ; Huang Y. ; Miu L. ; Jiang J. J Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 189.
12	陈驰; 庞军; 韩爽; 张碧霞; 黄苑; 缪灵; 江建军. 物理化学学报, 2012, 28, 189.
13	Li J. R. ; Kuppler R. J. ; Zhou H. C Chem. Soc. Rev 2009, 38, 1477.
14	Wang B. ; Cote A. P. ; Furukawa H. ; O′Keeffe M. ; Yaghi O. M Nature 2008, 453, 207.
15	Banerjee R. ; Furukawa H. ; Britt D. ; Knobler C. ; O′Keeffe M. ; Yaghi O. M J. Am. Chem. Soc. 2009, 131, 3875.
16	Gong J. H. ; Wang C. H. ; Bian Z.J. ; Yang L. ; Hu J. ; Liu H. L Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31, 1963.
16	龚金华; 王臣辉; 卞子君; 阳立; 胡军; 刘洪来. 物理化学学报, 2015, 31, 1963.
17	Ben T. ; Ren H. ; Ma S. Q. ; Cao D. P. ; Lan J. H. ; Jing X. F. ; Wang W. C. ; Xu J. ; Deng F. ; Simmons J. M. ; Qiu S. L. ; Zhu G. S Angew. Chem. Int. Edit 2009, 48, 9457.
18	Lu W. G. ; Yuan D. Q. ; Sculley J. L. ; Zhao D. ; Krishna R. ; Zhou H. C J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 18126.
19	Yu S. ; Xu Y. J. ; Jiang J. X. ; Ren S. J Acta Chim. Sin. 2015, 73, 629.
19	于森; 徐雍捷; 蒋加兴; 任世杰. 化学学报, 2015, 73, 629.
20	Harlick P. J. E. ; Tezel F. H Microporous Mesoporous Mat. 2004, 76, 71.
21	Wirawan S. K. ; Creaser D Microporous Mesoporous Mat. 2006, 91, 196.
22	Jensen N. K. ; Rufford T. E. ; Watson G. ; Zhang D. K. ; Chan K. I J. Chem. Eng. Data 2012, 57, 106.
23	Arrigo R. ; Havecker M. ; Wrabetz S. ; Blume R. ; Lerch M. ; McGregor J. ; Parrott E. P. J. ; Zeitler J. A. ; Gladden L. F. ; Knop-Gericke A. ; Schlogl R. ; Su D. S J. Am. Chem. Soc. 2010, 132, 9616.
24	Jin Z. Y. ; Li T. ; Lu A. H Acta Phys. -Chim. Sin. 2015, 31, 1602.
24	金振宇; 李瞳; 陆安慧. 物理化学学报, 2015, 31, 1602.
25	Li S. H. ; Zheng A. M. ; Su Y. C. ; Zhang H. L. ; Chen L. ; Yang J. ; Ye C. H. ; Deng F J. Am. Chem. Soc. 2007, 129, 11161.
26	Liu X. Q. ; Tian Z. Y. ; Chu W. ; Xue Y Acta Phys. -Chim. Sin. 2014, 30, 251.
26	刘晓强; 田之悦; 储伟; 薛英. 物理化学学报, 2014, 30, 251.
27	Yuan S. P. ; Si H. Z. ; Fu A. P. ; Chu T. S. ; Tian F. H. ; Duan Y. B. ; Wang J. G J. Phys. Chem. A 2011, 115, 940.
28	Yang G. ; Pidko E. A. ; Hensen E. J. M J. Phys. Chem. C 2013, 117, 3976.
29	Li H. C. ; Zhou D. H. ; Tian D. X. ; Shi C. ; Müller U. ; Feyen M. ; Yilmaz B. ; Gies H. ; Xiao F. S. ; De Vos D. ; Yokoi T. ; Tatsumi T. ; Bao X. H. ; Zhang W. P ChemPhysChem 2014, 15, 1700.
30	Madyal R. S. ; Arora J. S RSC Adv. 2014, 4, 20323.
31	Frysali M. G. ; Klontzas E. ; Froudakis G. E ChemPhysChem 2014, 15, 905.
32	Kumar K. V. ; Preuss K. ; Lu L. H. ; Guo Z. X. ; Titirici M. M J. Phys. Chem. C 2015, 119, 22310.
33	Lu A. H. ; Hao G. P. ; Sun Q. ; Zhang X. Q. ; Li W. C Macromol. Chem. Phys. 2012, 213, 1107.
34	Guo D. C. ; Li W. C. ; Dong W. ; Hao G. P. ; Xu Y. Y. ; Lu A. H Carbon 2013, 62, 322.
35	Grimme S. ; Antony J. ; Ehrlich S. ; Krieg H J. Chem. Phys. 2010, 132, 154104.
36	Grimme S. ; Ehrlich S. ; Goerigk L J. Comput. Chem. 2011, 32, 1456.
37	Frisch, M. J.; Schlegel, H. B.; Scuseria, G. E.; et al. Gaussian 09, Revision D.01; Gaussian Inc.:Wallingford, CT, 2013.
38	Lu T. ; Chen F.W. J. Comput. Chem. 2012, 33, 580.
39	Lu T. ; Chen F.W. J. Mol. Graph. Model. 2012, 38, 314.
40	Su P. ; Li H J. Chem. Phys. 2009, 131, 1.
41	Schmidt M.W. ; Baldridge K. K. ; Boatz J. A. ; Elbert S. T. ; Gordon M. S. ; Jensen J. J. ; Koseki S. ; Matsunaga N. ; Nguyen K. A. ; Su S. ; Windus T. L. ; Dupuis M. ; Montgomery J. A J. Comput. Chem. 1993, 14, 1347.
42	Han B. ; Zhu Y. Y. ; Zheng A. M. ; Deng F Acta Phys. -Chim. Sin. 2012, 28, 315.
42	韩冰; 褚月英; 郑安民; 邓风. 物理化学学报, 2012, 28, 315.
43	Desiraju, G. R.; Thomas, S. The Week Hydrogen Bond in Structural Chemistry and Biology; Oxford University Press: Oxford, 2006.
44	Xing W. ; Liu C. ; Zhou Z. ; Zhang L. ; Zhou J. ; Zhou S. P. ; Yan Z. F. ; Gao H. ; Wang G. Q. ; Qiao S. Z Energ. Environ. Sci 2012, 5, 7323.

[1]	曹斌,李喜飞. 钠离子电池炭基负极材料研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(5): 1905003 -0 .
[2]	朱家瑶, 董玥, 张苏, 范壮军. 炭-/石墨烯量子点在超级电容器中的应用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(2): 1903052 -0 .
[3]	郭楠楠,张苏,王鲁香,贾殿赠. 植物基多孔炭材料在超级电容器中的应用[J]. 物理化学学报, 2020, 36(2): 1903055 -0 .
[4]	王心怡,谢磊,丁元琪,姚心仪,张弛,孔惠慧,王利坤,许维. 超高真空条件下碱基与金属在Au(111)表面的相互作用[J]. 物理化学学报, 2018, 34(12): 1321 -1333 .
[5]	刘玉玉,李杰伟,薄一凡,杨磊,张效霏,解令海,仪明东,黄维. 芴基张力半导体结构和光电性质的理论研究[J]. 物理化学学报, 2017, 33(9): 1803 -1810 .
[6]	韩磊,彭丽,蔡凌云,郑旭明,张富山. 液态聚乙二醇CH₂剪切振动和扭转振动——拉曼光谱和密度泛函理论计算[J]. 物理化学学报, 2017, 33(5): 1043 -1050 .
[7]	高义粉,庄桂林,柏家奇,钟兴,王建国. 新型Zn²⁺基金属有机框架结构的温度依赖的导电、发光性能及理论计算[J]. 物理化学学报, 2017, 33(1): 242 -248 .
[8]	李奎,赵耀林,邓佳,贺朝会,丁书江,石伟群. 放射性碘分子在Cu₂O表面的吸附:第一性原理密度泛函研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(9): 2264 -2270 .
[9]	刘建红,吕存琴,晋春,王贵昌. 碱性介质中CO对甲醇在PtAu(111)和Pt(111)表面氧化生成甲酸的影响的第一性原理研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(4): 950 -960 .
[10]	赵宗彦,田凡. CdS/FeP复合光催化材料界面结构与性质的理论研究[J]. 物理化学学报, 2016, 32(10): 2511 -2517 .
[11]	曹潇潇, 苏艳, 赵纪军, 刘昌岭, 周潘旺. 烷烃客体分子(C_nH_m, n≤6, m≤14)在5¹²6²和5¹²6⁴水笼中的稳定性与拉曼光谱的密度泛函理论计算[J]. 物理化学学报, 2014, 30(8): 1437 -1446 .
[12]	王晨, 魏子章, 吕永康, 邢斌, 王贵昌. 苯乙烯在Ag(111)和Ag(110)表面环氧化反应结构敏感性的理论研究[J]. 物理化学学报, 2013, 29(04): 723 -730 .
[13]	李靖, 孙明轩, 张晓艳, 崔晓莉. 染料敏化太阳能电池对电极[J]. 物理化学学报, 2011, 27(10): 2255 -2268 .
[14]	何睿, 焦艳华, 梁媛媛, 陈灿玉. 有机和生物晶体固态核磁共振参数的准确预测[J]. 物理化学学报, 2011, 27(09): 2051 -2058 .
[15]	李文, 周晋, 邢伟, 禚淑萍, 吕忆民. HY分子筛为模板合成的微孔炭及其电化学电容性能[J]. 物理化学学报, 2011, 27(03): 620 -626 .

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Density Functional Theory Study of CO₂ Adsorption in Amine-Functionalized Carbonaceous Materials

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